建模系统可以使未来几代自感材料成为可能

在开发先进的3D打印材料时消除猜测的研究可以帮助加速新形式的“自感”飞机、机器人、桥梁等的开发

由格拉斯哥大学的研究人员领导的一个工程师团队开发了第一个能够模拟3D打印复合材料复杂物理的系统，该系统仅使用电流测量即可检测应变、载荷和损伤

通过允许材料科学家首次提前预测如何微调新结构以产生强度、刚度和自感特性的特定组合，它可以帮助催化该技术革命性新应用的发展

在航空航天和汽车领域，利用该团队的见解生产的新材料可以实时监测飞机、航天器和车辆部件的结构完整性，提高安全性和维护效率

对于土木工程来说，这些材料可以通过对桥梁、隧道和高层建筑的结构进行持续评估，在问题导致坍塌之前很久就突出问题，从而推动智能基础设施的发展。它们可以为在自动化制造中工作的机器人提供类似的好处，甚至可以帮助战场上的士兵保持身体装甲板的完整性

3D打印，也称为增材制造，通过用塑料、金属或陶瓷等材料逐层构建复杂的结构，可以创建复杂的结构

随着技术的发展，研究人员已经能够创造出具有独特性能的越来越复杂的材料。例如，在结构内部引入蜂窝状腔室的晶格，可以使材料在重量和结构强度之间达到微妙的平衡

在材料中编织细碳纳米管可以使它们携带电流，使它们能够通过压阻现象监测自身的结构完整性。当电流读数发生变化时，它可以指示材料已被压碎或拉伸，从而可以采取行动解决故障

格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Shanmugam Kumar教授领导了这项研究，该研究发表在《高级功能材料》杂志上。他说：“将压阻行为赋予3D打印细胞材料，使其能够在不需要任何额外硬件的情况下监测自身性能。这意味着我们可以为廉价、相对容易制造的材料赋予检测何时受到伤害并测量其受损程度的显著能力。这些类型的晶格材料，我们称之为自主传感架构材料，在各个领域创造先进应用方面具有巨大的未开发潜力。”虽然研究人员对这些特性已经了解了一段时间，但我们无法提前提供一种方法来了解创造新型自传感材料的新尝试有多有效。相反，我们经常依赖通过反复试验来确定开发这些材料的最佳方法，这既费时又昂贵。“

在这篇论文中，研究人员描述了他们是如何通过一系列严格的实验室实验和建模来开发他们的系统的。

他们使用了一种名为聚醚酰亚胺（PEI）的塑料与碳纳米管混合，形成一系列四种不同的轻质晶格结构设计。然后对这些设计的刚度、强度、能量吸收和自感知能力进行了测试

利用复杂的计算机建模，他们开发了一个系统，旨在预测材料对不同载荷的反应。然后，他们通过在真实世界条件下对材料进行深入分析，利用红外热成像实时可视化流经材料的电流，利用这些材料中热和电流之间的类比，验证了他们的多尺度有限元模型的预测

他们发现，他们的模型可以准确地预测材料对各种应力和应变组合的反应，以及它们的电阻将如何受到影响。这些结果可能有助于支持增材制造的未来发展，因为它提供了在第一个现实世界原型打印之前，所提出的新材料将如何表现的见解

这项研究建立在该团队之前的发展之上，该团队最近发表了一篇论文，展示了另一种建模方法，使研究人员能够预测增材制造引起的缺陷如何影响任何新设计的结构完整性

Kumar教授补充道：“通过这项研究，我们开发了一个能够模拟自感知3D打印材料性能的综合系统。在严格的实验和理论的指导下，它代表了第一个能够在多个尺度上对3D打印材料进行建模并结合多种物理类型的系统。”以及各行各业的发展。p