格拉斯哥大学与悉尼大学的工程师们制造出了3D打印超材料，这种材料能够实时显示自身受损的位置，并追踪损伤的扩散过程。这项研究将医院常用的成像技术 —— 电阻抗断层成像（EIT）—— 应用于含有碳纳米管的 3D 打印晶格结构中。研究团队表示，这是首次报道利用原位 EIT 监测 3D 打印架构超材料的损伤。该研究论文题为《利用原位电阻抗断层成像对架构晶格进行全场损伤监测》（"Full-Field Damage Monitoring in Architected Lattices Using In situ Electrical Impedance Tomography"），于 2026 年 9 月 28 日作为 Early View 论文发表在 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/journal/16163028 上。
在测试中，该系统将每一处断裂的定位误差控制在一个晶胞（约 12 毫米）以内。它还能在晶格失效前识别出损伤正在累积的区域，研究人员认为这可以成为未来工程零部件预警系统的可能基础。
晶格如何感知应变
测试样品是由 DLP（数字光处理）打印的树脂晶格，其支柱和空隙经过精心排布，材料中混入了碳纳米管使其具备导电性。矩形样品的尺寸为 48 毫米 ×60 毫米。附着在晶格外部的电极在样品被拉伸直至断裂的过程中，向结构施加电流并测量产生的电压差。当晶格被拉伸时，其内部的导电通路发生位移。这改变了电流在结构中的流动方式，以及结构表面出现的电压分布。一种算法将这些电压读数转化为持续更新的电导率分布图，显示出结构何处正在变形、何处开始失效。这些分布图还能捕捉到远离电极处的损伤，而这是表面安装式传感器难以察觉的。
詹姆斯・瓦特工程学院（James Watt School of Engineering）教授、SM2AM 实验室负责人 Shanmugam Kumar 教授将这一结果比作医学扫描："输出结果有点像核磁共振扫描：正如核磁共振能显示全身各处的情况一样，我们的方法让我们能够看到晶格在受力时不同部分的响应。"
晶格设计的数学框架。图片来自格拉斯哥大学和悉尼大学。
从点式读数到全场分布图
在临床应用中，EIT 被用于监测住院患者的肺功能。电极对电流如何通过人体组织进行连续测量，并根据这些测量结果，无需任何侵入性操作即可重建体内图像。研究团队采用这一方法，是为了解决打印晶格中传统传感方式的局限。标准方法在特定点位上测量电阻或电导率的变化。这对于简单零件行之有效，但对于复杂超材料却提供不了多少信息 —— 在致密的支柱网络中，损伤可能出现在任何位置。
据 Kumar 介绍，晶格设计是该技术奏效的关键之一。"经过工程设计的晶格架构使我们能够控制传感精度，" 他说。换言之，支柱的排列方式既影响零件的机械性能，也影响其报告自身状态的能力。架构超材料让工程师能够调整内部几何结构，以在重量、强度、抗冲击性和柔韧性等性能之间取得平衡。借助内置传感功能，这类晶格最终可用于医疗植入物、飞机零部件或汽车车身面板，持续反馈其随时间推移的磨损情况或对冲击的响应。研究人员表示，这项技术目前尚未达到应用阶段。迄今为止所有测试使用的都是平板 2D 晶格，以缓慢的拉伸方式加载，每个样品上手工连接 16 个电极。分辨率也有限：单根支柱是系统能够分辨的最小单元，两处相距约 2 至 3 个晶胞以内的断裂会显示为单一损伤区域。晶格设计还涉及一个权衡取舍：让脆性树脂在断裂前能够进一步拉伸，但同时会将其应变灵敏度（以灵敏度系数衡量）从固体复合材料的 4.2 降至 1.02。Kumar 表示："这项技术可能在结构健康监测及其他先进工程系统等领域开辟潜在应用，但仍需进一步开展工作，以开发并扩展该技术，使其走向实际应用。"
格拉斯哥方面的共同作者包括 Akash Deep 和 Andrew McBride 教授。悉尼大学方面的贡献者为 Andrea Samore 博士和 Alistair McEwan 教授。研究经费来自悉尼大学 - 格拉斯哥大学 Ignition Grants，以及印度国家工程院和印度科技部（https://授予 Kumar 的 Vaibhav 奖学金。
拉伸载荷下同步进行的端到端电学测量与原位 EIT 测量。图片来自格拉斯哥大学和悉尼大学。
从单点读数到完整损伤分布图
这项 EIT 研究建立在格拉斯哥 SM2AM 实验室多年来自传感研究的基础之上。在更早的一项研究中，他们 3D 打印出了填充碳纳米管、能够感知自身结构健康状况的材料。随后的研究显示，通过调整以及纳米管填料的用量，可以控制材料的刚度和损伤响应，让材料同时充当结构和传感器。这些零件能够发出损伤正在发生的信号，但无法告知损伤的位置。
其他大多数自传感研究也存在这一局限。在马德里的胡安卡洛斯国王大学，研究人员使用 DLP 打印了由碳纳米管（按重量计占 0.03% 至 0.15%）树脂制成的零件。他们在拉伸和三点弯曲测试中测量了每个样品的整体电流。荷兰的 Brightlands 材料中心在 Anisoprint Composer A4 打印机上嵌入了纤维，并发现施加载荷与电阻之间存在明确关联。纤维可以沿应力关键区域布置，但传感范围仅限于纤维所在之处，无法覆盖整个零件。自传感打印零件已经存在。而这项新成果的独特之处在于：能够在零件失效之前，显示其内部损伤正在何处形成。
来源：中国3D打印网编译文章！
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