中国材料大会观察：数字图像相关（DIC）技术在高分子柔性材料研究中的应用

近日，中国材料大会2026在武汉落幕。大会围绕能源材料、信息材料、先进结构材料、生物医用材料、环境材料、安全材料和人工智能材料等方向设置专题论坛。其中，与高分子柔性材料相关的研究内容不仅涉及高分子材料本体、功能高分子和生物医用材料，也延伸至增材制造、智能超材料、柔性器件、运动健康材料以及材料结构与性能表征等交叉方向。o1O

高分子柔性材料研究正在由传统的配方设计、加工工艺和静态力学性能测试，进一步拓展至复杂结构、大变形、动态加载及多场耦合条件下的服役行为。研究对象也从标准哑铃试样和均质薄膜，逐步扩展到3D打印柔性多孔结构、生物软组织、柔性驱动器和智能穿戴结构等实际对象。o1O

这一变化对实验表征提出了新的要求。高分子柔性材料通常具有低模量、大变形、黏弹性、超弹性和近似不可压缩等特征，其宏观响应还可能受到应变率、加载历史、环境温度和结构拓扑等因素影响。传统引伸计、应变片和位移传感器能够获得局部或整体响应，却难以完整描述局部屈曲、孔壁接触、应变集中、表面褶皱及空间形貌连续演化等复杂过程。o1O

数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）技术通过跟踪加载前后试件表面散斑子区的灰度特征，计算表面位移场，并在此基础上获得应变场、主应变方向和变形时程。对于存在明显离面运动、表面曲率变化或空间转动的柔性结构，通常需要采用双目三维DIC，通过立体视觉重建试件表面的三维坐标和三维位移。o1O

DIC实验意义在于将离散测点扩展为连续场测量，使研究人员能够进一步分析高分子柔性材料在复杂载荷下的变形起始位置、应变迁移路径、局部失稳模式以及结构不同区域之间的协同变形关系。o1O

双目三维DIC：测量3D打印软胶镂空结构压缩过程中的大变形o1O

3D打印软胶镂空结构的力学响应不仅取决于材料本构，还受到单元几何、连接细柱、孔隙分布和边界约束共同影响。在压缩过程中，结构内部可能同时发生杆件弯曲、局部屈曲以及整体侧向偏转。此时，材料非线性与几何非线性相互耦合，仅依靠试验机输出的载荷—位移曲线，难以判断局部变形首先出现在哪里，也难以验证数值模型是否准确重现了真实的变形模式。o1O

在东南大学土木工程学院开展的一项3D打印软胶镂空材料压缩试验中，研究团队采用千眼狼（Revealer）双目准静态DIC系统，以4096×3000像素，4帧/秒对软胶组合结构压缩过程中的全场变形进行测量。较高的图像分辨率有利于在约600 mm高度范围内保留足够的散斑像素和结构细节，兼顾整体变形观测与局部应变计算。o1O

测量结果显示，随着压缩位移增加，结构由初始近似直立状态逐步转变为明显的侧向弯曲和局部单元旋转状态。全场应变分布并非沿结构高度均匀变化，而是在连接细柱、孔洞边缘和单元转折部位出现局部集中。这一结果说明，软胶镂空结构的宏观压缩并不是均质材料意义上的均匀缩短，而是通过局部弯曲、单元旋转和结构屈曲实现整体变形。DIC测量的主要变形分布与理论仿真结果在趋势上保持一致。o1O

图1-双目三维DIC测量3D打印软胶镂空结构压缩过程中的全场应变演化o1O

双目三维DIC的价值在于能够同时获得面内位移和离面位移，降低试件侧向偏转、空间旋转及曲面变化对测量结果的影响。对于此类大变形结构，若仅采用单相机二维DIC，离面运动可能被误识别为面内变形，从而对局部应变计算产生系统误差。o1O

高速双目三维DIC：测量人体表面软组织的动态变形o1O

皮肤、肌肉和肌腱等人体软组织具有典型的柔性材料特征，其力学响应表现出大变形、非线性、各向异性、黏弹性和近似不可压缩等特点。获取人体运动过程中软组织的表面位移和应变分布，有助于分析肌群协同、运动技术、局部负荷和潜在损伤风险。然而，传统应变片难以直接粘贴于大幅运动和持续变形的人体表面，接触式测头也可能干扰自然动作。运动捕捉系统通常用于获取骨性标志点或肢体整体运动学参数，但无法直接提供连续的软组织表面应变场。o1O

在北京师范大学体育与运动学院开展的一项人体小腿表面软组织动态测量试验中，研究团队采用千眼狼（Revealer）高速双目三维DIC系统，测量脚尖点地、脚跟抬起过程中小腿表面的三维位移和应变变化。系统采用两台千眼狼（Revealer）高速摄像机M230对称布置，图像分辨率设置为1280×1024，采集帧率为1000帧/秒。o1O

测量结果显示，在脚尖点地并抬起脚跟的动作过程中，小腿表面不同区域呈现差异化的主应变响应。部分区域表现为拉伸状态，区域内最大主应变为正；另一些区域则表现为压缩状态，相应应变值为负。不同区域的应变时程表明，小腿表面并非作为单一均质体同步变形，而是表现出与肌群收缩、关节运动和表面几何变化相关的空间非均匀响应。o1O

图2-高速双目三维DIC测得的小腿肌肉表面三维应变场o1O

高速双目三维DIC为人体柔性组织研究提供了传统单点测量难以获得的信息。它能够同步记录整个观测区域的形貌变化，识别拉伸区、压缩区及其迁移过程，并用于比较不同动作、速度、疲劳状态或训练条件下的表面响应差异。o1O

结语o1O

高分子柔性材料的力学行为由材料本构、结构拓扑、边界条件和加载方式共同决定。随着研究对象由均质试样扩展至3D打印柔性结构和生物软组织，传统离散测量越来越难以完整描述其大变形与空间非均匀响应。o1O

数字图像相关（DIC）技术通过非接触、全场和时序化测量，将柔性材料表面图像转化为可定量分析的三维位移场和应变场。双目三维DIC能够测量3D打印软胶镂空结构压缩过程中的屈曲和应变重分布，高速双目三维DIC则能够捕捉人体表面软组织快速运动过程中的空间形貌与局部应变变化。o1O

上述应用表明，数字图像相关（DIC）技术正在由柔性材料表面变形记录手段，逐步发展为高分子材料本构识别、复杂结构失稳分析、数值模型验证和功能机制研究的实验工具。其价值不在于生成一幅彩色应变云图，而在于通过全场时空数据，将可观测的表面变形与高分子柔性材料复杂的材料非线性、几何非线性和结构功能响应建立可验证的联系。o1O

编辑：ZXSD04o1O