柔性超聲波貼片：讓複雜結構中的損傷檢測更容易！

近日，美國加州大學聖迭戈分校領導的科研團隊開發出一種有彈性的柔性貼片，使得在各種異形結構（例如：發動機零件、渦輪機、反應器彎管和鐵軌）中，進行超聲波成像變得更容易，而傳統的超聲波設備往往難以檢測這些物體。

背景

在我們周圍，聲波無處不在。然而，人耳可聽到的聲波頻率範圍是（20赫茲~20K赫茲）。「超聲波」，則是指頻率高於20K赫茲的聲波，人耳無法聽到。

（圖片來源：維基百科）

超聲波方向性好，穿透力強，能量集中，在水中的傳輸距離遠。它可用於測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等方面，在醫學、軍事、工業、農業等領域有著非常多的應用。

超聲波技術是非常值得關注的熱門科技領域，該領域也不乏各種創新成果。筆者之前介紹過有關超聲波技術的一些經典案例，讓我們回顧一下：

1）英國布里斯託大學的研究成果顯示：未來智能手錶等可穿戴設備可採用超聲波成像感知手部動作。

（圖片來源：BIG，布里斯託大學）

2）英國薩塞克斯大學通過在手背發送超聲波，並在手心檢測觸覺信號，將手掌變成一種人機交互顯示設備。

（圖片來源：英國薩塞克斯大學 ）

3）美國加州大學河濱分校（UCR）開發出一種陶瓷材料製成的顱骨植入物，幫助醫生將超聲波送進大腦，利用超聲波治療腦部疾病。

（圖片來源於：UCR）

4）美國密蘇里大學開發出一種更安全的激光設備，它將超聲波技術和激光相結合，通過直接接觸，將激光傳輸到皮膚組織內部。

（圖片來源：Ryan Owens / 密蘇里大學工程學院）

除了上述案例之外，超聲波檢測，也是該技術一項非重要的用途。超聲波檢測，是利用超聲波技術的一種常規無損檢測方法。它利用材料及其缺陷的聲學性能差異，通過超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化，來檢驗材料內部缺陷。

下圖中：一個工地上，技術員正在採用超聲波相控陣設備，測試管道焊接點的缺損。該檢測裝置由帶有磁輪的框架組成，通過彈簧讓探頭與管道發生接觸。潮濕的區域是超聲波耦合劑，它讓聲波可以穿透管道牆。

（圖片來源：維基百科）

超聲波檢測的大致原理如下圖所示。左：探頭向測試材料內部發送超聲波。其中有兩個標識：第一個來自探頭的初始脈衝；第二個來自界面反射回來的反射波。右：缺陷會製造出第三個標識，並且同時減少反射波的幅度。缺陷的深度由D/Ep決定。

（圖片來源：維基百科）

但是，傳統超聲波探頭的基底扁平而剛硬，因此在掃描彎曲的、波浪形的、有角度的和其他不規則的表面時，無法保持良好接觸。根據加州大學聖迭戈分校雅各布工程學院的納米工程教授（下面要介紹的創新研究的論文通訊作者 ）Sheng Xu 的說法，這一點非常具有局限性，因為在日常生活中，非平面的表面非常普遍。

加州大學聖迭戈分校的結構工程教授、論文的合著者之一 Francesco Lanza di Scalea 則表示：「彎管、轉角和其他結構細節恰巧是發生失效的最關鍵區域，這些都是高應力區域。傳統的剛性平面探頭無法理想地對這些區域的內部缺陷進行成像。」

為了讓探頭和與物體表面在檢測時更好地接觸，通常會採用凝膠、油、水等物質。但是太多的這類物質，會過濾掉一些信號。此外，傳統超聲波探頭也非常笨重，無法檢測這些難以接觸的部分。

Xu 說：「如果一輛汽車在一個難以接觸的部位存在一個裂紋，檢查員需要拆開整個引擎，將部件浸入到水中，從而獲取一個完整的三維圖像。」

創新

然而，一種新設備克服了目前超聲波設備的缺點，它可以應用於並非完全平坦表面的物體。相關研究成果於3月23日發表在《科學進展（Science Advances ）》期刊上。

近日，美國加州大學聖迭戈分校（University of California San Diego）的工程師領導的科研團隊開發出一種有彈性的柔性貼片，從而使得在各種異形結構（例如：發動機零件、渦輪機、反應器彎管和鐵軌）中，進行超聲波成像變得更容易，而傳統的超聲波設備往往難以檢測這些物體。這種超聲波貼片是一種更加便捷的多功能工具，可用於檢查機器部件和建築構件的深層缺陷和損壞。

（圖片來源：加州大學聖迭戈分校）

技術

加州大學聖迭戈分校領導的團隊開發的柔性超聲波探頭，無需水、凝膠、油，就可以在異形表面上工作。它是一個薄薄的貼片，上面具有「島橋」結構的硅膠彈性體圖案。從根本上說，這是一個小型電子部件（島）陣列，每一個島又通過彈簧般的結構（橋）相互連接。島含有電極以及壓電換能器設備。當電流通過時，它會產生超聲波。橋是一種彈簧狀的彈性彎曲銅線，使得貼片能適應非平面的表面，且不會影響其電子功能。

柔性超聲波換能器陣列設計原理圖

（圖片來源：參考資料【2】）

柔性超聲波貼片在拉伸和扭曲時，不會影響其電子功能。

（圖片來源：Hongjie Hu）

在一個具有波形表面的鋁塊上，研究人員測試了該設備。該鋁塊的表面下方存在2~6厘米的缺陷。研究人員在波形面的不同點上放置了探頭，採集數據，然後採用定製的數據處理演算法重構圖像。探頭能為鋁塊內兩毫米寬的洞和裂紋成像。

價值

加州大學聖迭戈分校材料科學和工程專業的博士生、論文的合著者之一 Hongjie Hu 表示：「將這種超聲波探頭粘貼在發動機、飛機機翼或者橋樑的不同部件上，進行持續的裂紋檢測，會顯得乾淨利落。」

未來

該設備仍然處於概念驗證階段，目前尚未能進行實時成像。它需要連接到電源和計算機進行數據處理。Xu 表示：「未來，我們希望將電源和數據處理功能集成到柔性超聲波探頭中，帶來實時的無線成像和錄像。」

關鍵字

超聲波、柔性電子、成像

參考資料

【1】http://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/flexible_ultrasound_patch_could_make_it_easier_to_inspect_damage_in_odd_sha

【2】By Hongjie Hu, Xuan Zhu, Chonghe Wang, Lin Zhang, Xiaoshi Li, Seunghyun Lee, Zhenlong Huang, Ruimin Chen, Zeyu Chen, Chunfeng Wang, Yue Gu, Yimu Chen, Yusheng Lei, Tianjiao Zhang, NamHeon Kim, Yuxuan Guo, Yue Teng, Wenbo Zhou, Yang Li, Akihiro Nomoto, Simone Sternini, Qifa Zhou, Matt Pharr, Francesco Lanza di Scalea, Sheng Xu.Stretchable ultrasonic transducer arrays for three-dimensional imaging on complex surfaces. Science Advances, 2018; DOI: 10.1126/sciadv.aar3979

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