共同第一作者：陈智明、钱龙鑫、梁伟豪

共同通讯作者：陈智明、罗坚义

背景介绍及内容概述

为了突破传统力学原理成像技术的局限，实现物体内部结构的三维表征，开发兼具表面检测与内部成像能力的新型技术在工业检测、材料表征领域具有重要意义。基于力学原理的接触轮廓仪、原子力显微镜（AFM）等成像技术，虽已广泛应用于工业检测与材料表征，但这类技术多聚焦于表面轮廓与形态的检测，缺乏对物体内部的三维成像能力，难以满足复杂结构（如软物质、封装器件）的检测需求。

近日，五邑大学应用物理与材料学院、柔性传感材料与器件研究开发中心罗坚义教授、陈智明博士团队提出一种基于力学原理的新型触觉断层扫描成像系统，用于成像物体的内部结构。该系统由扫描模块、探头模块及闭环反馈控制系统构成，可识别软物质的柔软度；同时模拟人类触觉感知逻辑，构建“材料触觉柔软度”新参数。通过综合考量样品尺寸、厚度及施加力对该参数的共同影响，该系统实现了最大6毫米的内部检测深度，具备三维成像能力——其 x、y 方向扫描分辨率达0.5毫米，z方向达0.1 μm，扫描精度超98.9%，最佳扫描速度与步长分别为2.4 mm/s和0.5毫米。在封装柔性印刷电路板（FPCB）的缺陷检测中，该系统已成功应用，充分展现出广阔的应用前景。

本工作以“A novel tactile tomography system based on mechanical principles for internal 3D imaging”为题，发表在Measurement上。

论文具体工作内容

图1 触觉断层扫描系统的示意图

图2 整体触觉断层扫描系统的照片

图3 扫描模块与探头模块的机械设计

图4 闭环反馈控制系统流程图

图5 触觉断层扫描系统的软度识别。(a) Shore硬度分别为3、7.5、12.5、17.5、25、30、35、50和60的AB胶；(b) Shore硬度测试仪(LX-C)；(c) 触觉断层扫描系统对不同Shore硬度AB胶样品进行扫描时的压缩深度分布；(d) 压缩深度与Shore硬度的关系

图6 样品尺寸对材料触觉柔软度的影响。(a) 深度为6毫米、不同长宽的框架模型；(b) 填充AB胶软表面层的框架模型；(c) 触觉断层扫描系统对软表面层框架模型进行扫描时的压缩深度分布三维成像；(d) 触觉断层扫描系统对软表面层框架模型进行扫描时的压缩深度分布三维成像俯视图

图7 样品厚度对材料触觉柔软度的影响。(a) 层次结构模型，相邻各层高度差为0.5毫米；(b) 填充AB胶软表面层的层次结构模型；(c) 触觉断层扫描系统对含软表面层的层次结构模型进行压缩深度分布三维成像；(d) 压缩深度分布的高度

图8 施加力对材料触觉柔软度的影响。触觉断层扫描系统在压力分别为(a)0.5、(b)1.5、(c)2.5和(d)4 MPa时，对具有软表面层的分层结构模型进行压缩深度分布的三维成像

图9 触觉断层扫描的理论有效性。(a) 符号“+”模型；(b) 填充AB胶的符号“+”模型；(c) 探针压样机械过程的模拟结果；(d) 探针尖端以676个扫描点对样品进行扫描的模拟结果；(e) 探针加载下样品的模拟位移场；(f) 触觉断层扫描系统对样品进行扫描的实验结果

图10 触觉断层扫描系统的扫描分辨率。(a) 带有地形线的模型；(b) 填充AB胶软表面层的地形线模型；(c) 触觉断层扫描系统扫描带软表面层的地形线模型时的压缩深度分布三维成像

图11 触觉断层扫描系统的扫描精度。(a) 长度30毫米、宽度9毫米、高度3毫米的量块；(b) 填充AB胶软质表面层的量块；(c) 触觉断层扫描系统对软质表面层量块进行扫描时的压缩深度分布三维成像；(d) 触觉断层扫描系统对软质表面层量块进行扫描时，与压缩深度对应的扫描精度分布

图12 触觉断层扫描系统的扫描速度与扫描步进。(a)、(b)和(c)为填充有AB胶软表面层的球冠模型；触觉断层扫描系统以以下扫描速度和步进分别扫描该软表面层球冠模型时，压缩深度分布的三维成像：(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

图13 材料特性对触觉断层扫描系统的影响。(a) 填充不同邵氏硬度AB胶的球冠模型；(b) 系统在4 MPa恒定压力下扫描的5HC软表面层球冠模型三维成像；(c) 系统在4 MPa恒定压力下扫描的10 HC软表面层球冠模型三维成像；(d) 系统在6 MPa恒定压力下扫描的10 HC软表面层球冠模型三维成像；(e) 系统在4 MPa恒定压力下扫描的15 HC软表面层球冠模型三维成像；(f) 系统在8 MPa恒定压力下扫描的15 HC软表面层球冠模型三维成像；(g) 系统在4 MPa恒定压力下扫描的30 HC软表面层球冠模型三维成像；(h) 系统在13 MPa恒定压力下扫描的30 HC软表面层球冠模型三维成像

图14 材料类型对触觉断层扫描系统的影响。分别填充AB胶(a)、 PDMS (b)和Ecoflex(c)软表面层的球冠模型；触觉断层扫描系统扫描该球冠模型时，分别显示AB胶(d)、 PDMS (e)和Ecoflex(f)软表面层的压缩深度分布三维成像

图15 封装柔性印刷电路板的无损检测。(a) 柔性印刷电路板；(b) 被软质表面层封装的柔性印刷电路板；(c) 封装柔性印刷电路板的扫描区域。(d) 存在三个缺陷的封装柔性印刷电路板的扫描区域；(e) 触觉断层扫描系统对封装柔性印刷电路板进行扫描时的压缩深度分布三维成像；(f) 存在三个缺陷的封装柔性印刷电路板进行扫描时的压缩深度分布三维成像；(g) 封装柔性印刷电路板的超声C扫描图像；(h) 存在三个缺陷的封装柔性印刷电路板的超声C扫描图像

图16 封装柔性印刷电路板的疲劳测试。(a)封装 FPCB 测试点在300次扫描循环下的探针尖端压缩深度；(b)封装 FPCB 扫描前测试点的显微镜图像；(c)封装 FPCB 300次扫描循环后的测试点显微镜图像；(d)封装 FPCB 300次扫描循环后的测试点显微镜图像

总结与展望

本研究开发了一种基于机械原理的新型触觉断层扫描系统，该系统具备内部三维成像功能。该触觉断层扫描系统能够识别邵氏硬度为3、7.5、12.5、17.5、25、30、35、50和60的AB胶的柔软度。对于尺寸小于12毫米、厚度小于6毫米的样品，系统引入了“材料触觉柔软度”这一新参数，使得触觉断层扫描系统能够实现最大检测深度达6毫米的内部三维成像。该系统在x和y方向上具有0.5毫米的高扫描分辨率，在z方向上具有0.1 μm 的扫描分辨率。触觉断层扫描系统的扫描精度超过98.9%，最佳扫描速度和扫描步长为2.4毫米/秒和0.5毫米。该系统能够对封装的柔性印刷电路板进行内部结构成像和缺陷识别，展现出在柔性可穿戴设备无损检测方面的显著潜力。

作者及团队介绍

共同第一作者：陈智明，男，工学博士，讲师，硕士生导师。

钱龙鑫，女，五邑大学应用物理与材料学院2023级材料与化工硕士研究生。

梁伟豪，男，五邑大学应用物理与材料学院2022级材料科学与工程硕士研究生。

共同通讯作者：陈智明，男，工学博士，讲师，硕士生导师，主要从事柔性传感器等的制备及其应用研究，至今已在高影响力期刊上发表SCI论文40篇，以第一作者或通讯作者发表论文11篇，论文他引1300次，单篇最高引用次数234次。

共同通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），国务院政府特殊津贴专家（2023），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师，江门市首届“侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者，江门市“十佳教师”。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气压传感和弯曲传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。

附文献及DOI号：

A novel tactile tomography system based on mechanical principles for internal 3D imaging

DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2026.120300