共同第一作者：陳智明、錢(qián)龍?chǎng)?、梁偉?/span>
共同通訊作者：陳智明、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
為了突破傳統(tǒng)力學(xué)原理成像技術(shù)的局限，實(shí)現(xiàn)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維表征，開(kāi)發(fā)兼具表面檢測(cè)與內(nèi)部成像能力的新型技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)、材料表征領(lǐng)域具有重要意義?；诹W(xué)原理的接觸輪廓儀、原子力顯微鏡（AFM）等成像技術(shù)，雖已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)與材料表征，但這類(lèi)技術(shù)多聚焦于表面輪廓與形態(tài)的檢測(cè)，缺乏對(duì)物體內(nèi)部的三維成像能力，難以滿(mǎn)足復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如軟物質(zhì)、封裝器件）的檢測(cè)需求。
近日，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心羅堅(jiān)義教授、陳智明博士團(tuán)隊(duì)提出一種基于力學(xué)原理的新型觸覺(jué)斷層掃描成像系統(tǒng)，用于成像物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由掃描模塊、探頭模塊及閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成，可識(shí)別軟物質(zhì)的柔軟度；同時(shí)模擬人類(lèi)觸覺(jué)感知邏輯，構(gòu)建“材料觸覺(jué)柔軟度”新參數(shù)。通過(guò)綜合考量樣品尺寸、厚度及施加力對(duì)該參數(shù)的共同影響，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最大6毫米的內(nèi)部檢測(cè)深度，具備三維成像能力——其 x、y 方向掃描分辨率達(dá)0.5毫米，z方向達(dá)0.1 μm，掃描精度超98.9%，最佳掃描速度與步長(zhǎng)分別為2.4 mm/s和0.5毫米。在封裝柔性印刷電路板（FPCB）的缺陷檢測(cè)中，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用，充分展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
本工作以“A novel tactile tomography system based on mechanical principles for internal 3D imaging”為題，發(fā)表在Measurement上。
論文具體工作內(nèi)容
圖1 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的示意圖
圖2 整體觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的照片
圖3 掃描模塊與探頭模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)
圖4 閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)流程圖
圖5 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的軟度識(shí)別。(a) Shore硬度分別為3、7.5、12.5、17.5、25、30、35、50和60的AB膠；(b) Shore硬度測(cè)試儀(LX-C)；(c) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)不同Shore硬度AB膠樣品進(jìn)行掃描時(shí)的壓縮深度分布；(d) 壓縮深度與Shore硬度的關(guān)系
圖6 樣品尺寸對(duì)材料觸覺(jué)柔軟度的影響。(a) 深度為6毫米、不同長(zhǎng)寬的框架模型；(b) 填充AB膠軟表面層的框架模型；(c) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)軟表面層框架模型進(jìn)行掃描時(shí)的壓縮深度分布三維成像；(d) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)軟表面層框架模型進(jìn)行掃描時(shí)的壓縮深度分布三維成像俯視圖
圖7 樣品厚度對(duì)材料觸覺(jué)柔軟度的影響。(a) 層次結(jié)構(gòu)模型，相鄰各層高度差為0.5毫米；(b) 填充AB膠軟表面層的層次結(jié)構(gòu)模型；(c) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)含軟表面層的層次結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行壓縮深度分布三維成像；(d) 壓縮深度分布的高度
圖8 施加力對(duì)材料觸覺(jué)柔軟度的影響。觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)在壓力分別為(a)0.5、(b)1.5、(c)2.5和(d)4 MPa時(shí)，對(duì)具有軟表面層的分層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行壓縮深度分布的三維成像
圖9 觸覺(jué)斷層掃描的理論有效性。(a) 符號(hào)“+”模型；(b) 填充AB膠的符號(hào)“+”模型；(c) 探針壓樣機(jī)械過(guò)程的模擬結(jié)果；(d) 探針尖端以676個(gè)掃描點(diǎn)對(duì)樣品進(jìn)行掃描的模擬結(jié)果；(e) 探針加載下樣品的模擬位移場(chǎng)；(f) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行掃描的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖10 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的掃描分辨率。(a) 帶有地形線(xiàn)的模型；(b) 填充AB膠軟表面層的地形線(xiàn)模型；(c) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)掃描帶軟表面層的地形線(xiàn)模型時(shí)的壓縮深度分布三維成像
圖11 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的掃描精度。(a) 長(zhǎng)度30毫米、寬度9毫米、高度3毫米的量塊；(b) 填充AB膠軟質(zhì)表面層的量塊；(c) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)軟質(zhì)表面層量塊進(jìn)行掃描時(shí)的壓縮深度分布三維成像；(d) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)軟質(zhì)表面層量塊進(jìn)行掃描時(shí)，與壓縮深度對(duì)應(yīng)的掃描精度分布
圖12 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的掃描速度與掃描步進(jìn)。(a)、(b)和(c)為填充有AB膠軟表面層的球冠模型；觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)以以下掃描速度和步進(jìn)分別掃描該軟表面層球冠模型時(shí)，壓縮深度分布的三維成像：(d) 0.6 mm/s & 0.5 mm，(e) 1.2 mm/s & 0.5 mm，(f) 1.8 mm/s & 0.5 mm，(g) 2.4 mm/s & 0.5 mm，(h) 2.4 mm/s & 1.0 mm，以及(i) 2.4 mm/s & 2.0 mm
圖13 材料特性對(duì)觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的影響。(a) 填充不同邵氏硬度AB膠的球冠模型；(b) 系統(tǒng)在4 MPa恒定壓力下掃描的5HC軟表面層球冠模型三維成像；(c) 系統(tǒng)在4 MPa恒定壓力下掃描的10 HC軟表面層球冠模型三維成像；(d) 系統(tǒng)在6 MPa恒定壓力下掃描的10 HC軟表面層球冠模型三維成像；(e) 系統(tǒng)在4 MPa恒定壓力下掃描的15 HC軟表面層球冠模型三維成像；(f) 系統(tǒng)在8 MPa恒定壓力下掃描的15 HC軟表面層球冠模型三維成像；(g) 系統(tǒng)在4 MPa恒定壓力下掃描的30 HC軟表面層球冠模型三維成像；(h) 系統(tǒng)在13 MPa恒定壓力下掃描的30 HC軟表面層球冠模型三維成像
圖14 材料類(lèi)型對(duì)觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的影響。分別填充AB膠(a)、 PDMS (b)和Ecoflex(c)軟表面層的球冠模型；觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)掃描該球冠模型時(shí)，分別顯示AB膠(d)、 PDMS (e)和Ecoflex(f)軟表面層的壓縮深度分布三維成像
圖15 封裝柔性印刷電路板的無(wú)損檢測(cè)。(a) 柔性印刷電路板；(b) 被軟質(zhì)表面層封裝的柔性印刷電路板；(c) 封裝柔性印刷電路板的掃描區(qū)域。(d) 存在三個(gè)缺陷的封裝柔性印刷電路板的掃描區(qū)域；(e) 觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)封裝柔性印刷電路板進(jìn)行掃描時(shí)的壓縮深度分布三維成像；(f) 存在三個(gè)缺陷的封裝柔性印刷電路板進(jìn)行掃描時(shí)的壓縮深度分布三維成像；(g) 封裝柔性印刷電路板的超聲C掃描圖像；(h) 存在三個(gè)缺陷的封裝柔性印刷電路板的超聲C掃描圖像
圖16 封裝柔性印刷電路板的疲勞測(cè)試。(a)封裝 FPCB 測(cè)試點(diǎn)在300次掃描循環(huán)下的探針尖端壓縮深度；(b)封裝 FPCB 掃描前測(cè)試點(diǎn)的顯微鏡圖像；(c)封裝 FPCB 300次掃描循環(huán)后的測(cè)試點(diǎn)顯微鏡圖像；(d)封裝 FPCB 300次掃描循環(huán)后的測(cè)試點(diǎn)顯微鏡圖像
總結(jié)與展望
本研究開(kāi)發(fā)了一種基于機(jī)械原理的新型觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備內(nèi)部三維成像功能。該觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)能夠識(shí)別邵氏硬度為3、7.5、12.5、17.5、25、30、35、50和60的AB膠的柔軟度。對(duì)于尺寸小于12毫米、厚度小于6毫米的樣品，系統(tǒng)引入了“材料觸覺(jué)柔軟度”這一新參數(shù)，使得觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大檢測(cè)深度達(dá)6毫米的內(nèi)部三維成像。該系統(tǒng)在x和y方向上具有0.5毫米的高掃描分辨率，在z方向上具有0.1 μm 的掃描分辨率。觸覺(jué)斷層掃描系統(tǒng)的掃描精度超過(guò)98.9%，最佳掃描速度和掃描步長(zhǎng)為2.4毫米/秒和0.5毫米。該系統(tǒng)能夠?qū)Ψ庋b的柔性印刷電路板進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像和缺陷識(shí)別，展現(xiàn)出在柔性可穿戴設(shè)備無(wú)損檢測(cè)方面的顯著潛力。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
共同第一作者：陳智明，男，工學(xué)博士，講師，碩士生導(dǎo)師。
錢(qián)龍?chǎng)危?，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2023級(jí)材料與化工碩士研究生。
梁偉豪，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2022級(jí)材料科學(xué)與工程碩士研究生。
共同通訊作者：陳智明，男，工學(xué)博士，講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事柔性傳感器等的制備及其應(yīng)用研究，至今已在高影響力期刊上發(fā)表SCI論文40篇，以第一作者或通訊作者發(fā)表論文11篇，論文他引1300次，單篇最高引用次數(shù)234次。
共同通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家（2023），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師，江門(mén)市首屆“僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市“十佳教師”。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
A novel tactile tomography system based on mechanical principles for internal 3D imaging
DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2026.120300
