清華新聞網(wǎng)3月15日電 應(yīng)力廣泛存在于各種尺度下的生物軟組織和人工軟材料中，深刻影響這些軟材料的性能并在其功能的發(fā)揮中起著重要作用。實(shí)驗(yàn)測(cè)量軟組織中應(yīng)力的大小和分布，對(duì)揭示生命活動(dòng)基本規(guī)律，疾病的早期和精確診斷等具有重要意義。對(duì)于人工軟材料而言，原位應(yīng)力測(cè)量可以幫助優(yōu)化軟體機(jī)器人和柔性電子器件等的設(shè)計(jì)。然而，軟材料與柔性結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的測(cè)量一直以來(lái)是力學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)材料內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量方法主要分為有損方法（如鉆孔法、環(huán)芯法、剝層法、輪廓法等）和無(wú)損方法（如X射線(xiàn)衍射、中子衍射等），這兩類(lèi)方法通常通過(guò)測(cè)量變形反演應(yīng)力，反演過(guò)程中需要用到材料的本構(gòu)參數(shù)。然而，軟材料本構(gòu)參數(shù)往往對(duì)環(huán)境（如溫度、濕度、PH值等）十分敏感，其準(zhǔn)確表征本身具有極大的挑戰(zhàn)性。因此，傳統(tǒng)應(yīng)力測(cè)量方法不適用于軟材料包括組織應(yīng)力的原位表征。
為了解決上述難題，清華大學(xué)航天航空學(xué)院曹艷平課題組報(bào)道了一種基于聲彈原理無(wú)損表征軟材料應(yīng)力的方法。該方法首先通過(guò)編程聲輻射力實(shí)現(xiàn)了在軟材料內(nèi)部同一位置激發(fā)出沿不同方向傳播的剪切波，特別是實(shí)現(xiàn)了相互垂直的兩個(gè)方向上剪切波的同時(shí)激發(fā)和相速度測(cè)量（圖1）。研究人員通過(guò)理論研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，互相垂直的兩個(gè)方向上相速度平方差即可確定主應(yīng)力之差。因此，測(cè)量剪切波相速度即可反演得到主應(yīng)力。上述應(yīng)力測(cè)量方法無(wú)需預(yù)知材料的本構(gòu)參數(shù)和初始構(gòu)型，并且適用于正交各向異性軟材料中應(yīng)力的測(cè)量。
圖1.基于聲輻射力編程實(shí)現(xiàn)在軟材料內(nèi)部激發(fā)沿不同方向傳播的剪切波，以及采用超聲剪切波彈性成像系統(tǒng)測(cè)量得到剪切波速度。（A）實(shí)驗(yàn)中所采用的激勵(lì)方式。超聲波束沿著x軸從左至右先后聚焦在材料內(nèi)部間距約1mm的六個(gè)位置。除水平方向剪切波以外，剪切波在z方向發(fā)生相長(zhǎng)干涉形成縱向偏振剪切波。通過(guò)超快平面波成像測(cè)量得到剪切波在感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)的傳播過(guò)程。（B）剪切波相長(zhǎng)干涉形成縱向偏振剪切波。（C）實(shí)驗(yàn)采用的水凝膠樣品。（D）不同時(shí)刻ROI內(nèi)的剪切波。（E）有限元仿真。（F）水平和（G）豎直方向剪切波質(zhì)點(diǎn)速度的時(shí)空?qǐng)觥Ｍㄟ^(guò)Radon變換計(jì)算其群速度
研究人員通過(guò)測(cè)量水凝膠中的單軸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力驗(yàn)證了新方法的有效性。進(jìn)一步，研究人員還設(shè)計(jì)了離體實(shí)驗(yàn)，利用該方法測(cè)量了骨骼肌被動(dòng)拉伸過(guò)程中的應(yīng)力變化（圖2），展示了該方法在生物軟組織應(yīng)力測(cè)量中具有的潛在應(yīng)用價(jià)值。
圖2.水凝膠和骨骼肌的機(jī)械應(yīng)力成像。(A)受單軸應(yīng)力的水凝膠中測(cè)量得到的兩方向上的剪切波速。（B）反演得到的應(yīng)力和所施加應(yīng)力的比較。（C）水凝膠的彎曲變形及彎曲應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果。（D）彎曲應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)量與有限元計(jì)算的對(duì)比。（E）對(duì)離體肌肉施加單軸應(yīng)力。（F）肌肉樣品的B超圖像。（G）骨骼肌中剪切波的傳播。（H）兩方向上剪切波速度隨應(yīng)力的變化。（I）肌肉應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論結(jié)果的對(duì)比
該研究中發(fā)展的剪切波編程方法（即基于聲輻射力編程在軟材料中同步激發(fā)沿不同方向傳播的剪切波）已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利。相關(guān)論文于北京時(shí)間3月9日在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上以“基于可編程剪切波的軟材料局部應(yīng)力無(wú)損測(cè)量方法”（Noninvasive measurement of local stress inside softmaterials with programmed shear waves）為題發(fā)表。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院曹艷平教授和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院李國(guó)洋博士（現(xiàn)為北京大學(xué)工學(xué)院助理教授）為論文的通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2020級(jí)博士生張昭熠為論文的第一作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2018級(jí)博士生江宇軒、博士后鄭陽(yáng)，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)機(jī)械工程系高爾（Gower）博士，以及愛(ài)爾蘭國(guó)立高威大學(xué)狄斯多蘭（Destrade）教授為論文共同作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add4082
供稿：航天航空學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
