形变感知布线 / 计算研究 · 2026-11-02
从组织运动生成可拉伸电极网络
Geometric synthesis of stretchable electrode networks from tissue motion
让电极的布局与身体的运动一起设计。从组织形变出发，把局部伸长需求转换成蛇形结构所需的空间，再生成能够连接目标端点的电极网络，并分析它在运动中的力学响应。
点击图片可放大查看原图及结论。
01 / 研究主线
不同材料位置需要不同蛇形占宽与展开量
32 × 16 mm制造区域覆盖左肘伸侧，36条独立线路随固定材料映射贴附。局部伸长需求不同，A、D、B窗口分别预留约247、223、133 μm宽度，实际金属线宽均为4 μm。
图 1 · 局部伸长不同，蛇形占宽与展开量随位置变化
A、D、B窗口的预留宽度分别约247、223、133 μm；从初始到最大屈曲，其端点伸长比分别约0.988→2.145、0.989→1.982、1.011→1.323。
- a–f · 32 × 16 mm制造区域映射到左肘伸侧
32 × 16 mm 制造区域映射到左肘伸侧。曲面与热图上的同号角点连接同一材料位置，使屈曲前后的结构可以直接对应。
- g–l · 从预留空间落实到金属
A、D、B 三个窗口的局部预留宽度约为 247、223、133 μm；其中的实际金属线宽均为 4 μm。不同占宽来自不同的局部伸长需求。
- m–r · 同一窗口随运动展开
初始至最大屈曲，A、D、B 的端点伸长比分别约为 0.988→2.145、0.989→1.982、1.011→1.323。位置不同，结构展开程度也不同。
三列分别为 S01 第1–3胞、S03 第1–4胞、S18 第123–125胞，沿用零基索引。局部图共用100 μm标尺；皮肤伸长与金属归一化弯曲应力使用各自色标。
定位补充 · 电极覆盖左肘伸侧，36个位点保持材料对应
橙色覆盖区位于左肘屈曲时的外弯侧。网格、36个位点及同号角点沿固定材料映射移动，将曲面结构与制造平面对应到同一片皮肤。
- 覆盖位置
橙色区域位于左肘伸侧，即屈曲时的外弯侧；青色区域是较大的组织候选区。
- 固定材料对应
白色网格与36个位点随保存的材料映射移动。相同角点说明曲面放大图和热图追踪的是同一片皮肤。
定位内容已融入图1a–f；此图提供更大的独立阅读视图。
02 / 研究主线
位置和走向共同改变线路所需的伸长补偿
固定材料映射将皮肤运动转为制造平面上的方向伸长场。同一位置的0°与90°设计应变不同，因此线路走向直接改变蛇形结构需要承担的伸长。
图 2 · 同一皮肤位置沿不同方向具有不同设计应变
0°与90°设计应变在同一色标下呈现不同分布；固定位置的方向扫描进一步表明，改变线路走向会改变所需伸长补偿。
- a–c · 运动输入保持材料身份
预设骨肌运动驱动被动脂肪与皮肤模型。制造点通过固定三角面及重心权重关联皮肤材料点，使后续路径调整仍能查询同一运动场。
- d–e · 同一片皮肤，方向不同需求不同
0°与90°的设计应变共用色标。分布的差异说明，线路的走向会改变所需的伸长补偿。
- f · 改变走向即可改变局部伸长需求
固定位置的方向扫描得到不同的设计伸长；线路位置与切向共同确定逆设计所需的伸长输入。
设计需求取5个贴附阶段与121个准静态运动状态的正向伸长包络，再乘1.10裕量；组织参考应变与金属无应力制造参考分别定义。
03 / 研究主线
局部伸长转换为89.53–247.33 μm预留宽度
蛇形逆设计返回满足局部伸长需求的结构宽度，再乘1.5并加8 μm余量，得到89.53–247.33 μm预留宽度。该宽度决定共享通道容量和端口节距，候选走向对应的需求进入路径费用。
图 3 · 预留宽度决定通道容量，方向需求进入路径费用
a–c将局部伸长转为89.53–247.33 μm预留宽度；d–f据此分配容量与端口节距；g–i中的S25在不同位置使用不同占宽。
- a–c · 结构占宽随需求变化
蛇形逆设计返回实现局部伸长所需的结构宽度；加入几何余量后，保守预留宽度约为89.53–247.33 μm。金属导体本身始终为4 μm。
- d–f · 在路径形成前分配空间
预留宽度决定共享通道的容量上界与端口节距；候选方向对应的结构需求进入路径费用，使运动需求提前参与布线。
- g–i · 同一线路也需要不同宽度
S25在两个位置的同尺度放大显示预留空间随当地需求变化，避免用单一固定宽度代表整条线路。
预留宽度为逆设计宽度的1.5倍再加8 μm。容量使用主伸长包络，方向费用使用候选走向；连续几何净距由后续阶段检查。
04 / 研究主线
粗、细两种肘部网格均实现36/36独立连接
按当前阻塞位置释放容量后，细网格由24条增至36条，粗网格由22条增至36条。两种网格均完成全部连接；初始容量已足够的历史域直接保留原容量。
图 4 · 细网格18轮、粗网格21轮后均完成36条连接
细网格经历18轮容量释放，由24条增至36条；粗网格经历21轮，由22条增至36条。61、70和36位点历史域在初始容量下已完成连接。
- a–c、j · 两种肘部网格均全部连通
细网格由24条增至36条，经历18轮容量释放；粗网格由22条增至36条，经历21轮。最终均为36/36独立连接。
- d–i、k · 按阻塞状态决定是否调整
61、70和36位点历史域在初始容量下已完成连接，因此保留原容量与流解码结果。
- l · 从路径继续落实为金属
历史36位点案例进一步展示后端蛇形金属。肘部网络的路径随后进入有限宽几何协调和单元生成。
61、70位点在本图展示的是流与解码结果；历史36位点的金属属于后端阶段，允许中心线调整。各案例的物理无环与定向配对检查分别记录。
05 / 研究主线
保持36条连接，几何冲突由25对降至0对
Ordered按共同站点与端口次序整理邻线，Clearance移动仍有冲突的通道。同一后端口径下，冲突线路对依次为25→1→0，三个阶段始终保留36条连接。
图 5 · 有序整理与净距修正消除25对几何冲突
接口转换、Ordered、Clearance三个阶段的冲突线路对依次为25→1→0；位移后重新查询局部伸长与占宽，36条连接保持完整。
- a–f · 先整理走向，再修正净距
Ordered按共同站点与端口次序协调邻线，Clearance进一步移动仍有冲突的通道。三个阶段始终保留36条连接。
- i · 同一检查口径下消除几何冲突
接口转换、Ordered、Clearance的冲突线路对依次为25→1→0，说明有限宽通道获得了可分配的制造空间。
- g–h · 路径移动后重新读取需求
接受位移前重新查询局部伸长与占宽，使最终通道位置、空间预算与后续蛇形生成使用一致的设计输入。
静态Clearance最小间距约19.999364 μm，对应20 μm目标及实现容差。这里的制造几何与运动中的运行净距分别检查。
06 / 研究主线
S20由五胞重建为四胞，四个新单元均满足参考响应线
固定S20窗口的外端位置、切向及邻胞，重新分配内部站点与单元数量。五个原单元重建为四个连续单元后，四个新单元均满足本研究采用的2%参考响应线。
图 6 · 固定外侧接口，四胞重建满足S20窗口参考需求
S20在保持外端位置、切向和邻胞不变的条件下由5胞改为4胞；四个新单元均满足2%参考响应线，窗口连接检查通过。
- a–c · 通过内部重分配改善结构
S20示例保持外端位置、切向和邻胞不变，将原来的5个单元重建为4个连续单元。改善来自窗口内部的结构重分配。
- f · 新单元覆盖该窗口的参考需求
四个新单元均满足本研究采用的2%参考响应线，窗口连接检查通过；原图中的NA表示没有有效保存值。
- d–e · 局部重建回到整网
重建结果拼接到完整阵列后，36条线路均完成制造几何检查。整体与局部均按实际4 μm金属线宽显示。
本图是单元参考需求评价，实际运动响应见下一图。全阵列完整参考需求覆盖由29/36提升至34/36，这是单元响应口径；线路始终全部连通。
07 / 研究主线
四个连续窗口的弯曲应力峰值均低于2%参考线
原始皮肤运动驱动连续蛇形窗口协同展开，通过曲率重分配容纳伸长。A、B、C、D窗口的归一化弯曲应力峰值分别为1.271%、1.142%、1.198%、1.377%。
图 7 · C、D窗口峰值为1.198%和1.377%，蛇形通过展开容纳伸长
c中的C、D窗口峰值均低于2%参考线；d–i的0、1、2 s关键帧显示，连续单元随端点拉伸协同展开，并重新分配局部曲率与应力。
- a、d–i · 通过曲率重分配容纳拉伸
固定材料映射把皮肤轨迹转为端点载荷。连续窗口仅约束外端，内部单元协同展开；同尺度关键帧可直接比较形状与应力变化。
- c · 局部窗口表现出较低弯曲应力
图c中C、D窗口的归一化弯曲应力峰值分别为1.198%、1.377%，曲线与下方形状对应。结合补充记录中的A、B窗口（1.271%、1.142%），四个窗口均低于研究采用的2%参考线。
- b · 把响应重新关联到制造位置
独立单元筛查将各单元的峰值映射回阵列，再用连续窗口分析局部协同展开，从整网定位到同一位置的结构响应。
四个窗口共121个准静态状态、484条响应记录。独立单元与连续窗口采用不同约束，应分别读取；运行净距是另一指标。
细节补充 · 4 μm蛇形金属的局部应力对应同一整网几何
整网与嵌套放大图采用同一套4 μm线宽蛇形几何，颜色标记金属上的应力分布；局部弯曲段与邻线间隔保持原始坐标关系。
- 整体与局部使用相同几何
整体笔画按坐标范围及实际4 μm线宽缩放，局部保留有限宽金属和原圆弧采样，使细节可追溯到整网。
- 应力颜色与真实金属位置一一对应
应力色标沿实际蛇形金属显示，局部弯曲段与邻线间隔共用原几何。该图放大图7已有的响应，不增加独立的峰值结果。
此图用于放大已有几何与响应结果，不是另一组计算或实验。
08 / 研究主线
R1分配连接，R2修正净距，R3重建连续金属
布线、间距协调与蛇形重建依次生成完整的电极网络，再用原始组织运动评价金属结构的力学响应。
图 8 · 运动需求依次进入容量分配、净距修正与单元重建
运动需求先转为可连接的线路，再形成有限宽通道与连续蛇形金属；最终在原始运动载荷下评价应力与形变。
- R1 · 将宽度资源转为连接
局部运动需求与线路占宽共同决定连接布局，最终完成36/36条独立线路连接。
- R2 · 将连接转为有限宽几何
在保持端点连接的条件下协调相邻线路间距，使有限宽结构能够容纳于贴附区域。
- R3 · 将通道转为连续金属
通道内形成连续蛇形金属，局部单元通过协同展开承担组织运动带来的伸长。
此图保留研究流程概览；力学结果对应原始运动载荷下的数值评价。
36条线路全部连通，四个局部窗口应力峰值低于参考线
局部运动需求决定线路占宽与走向，容量释放完成36/36独立连接，几何协调将冲突线路对由25降至0。连续窗口在原始运动下协同展开，四个窗口的归一化弯曲应力峰值为1.14%–1.38%，均低于本研究采用的2%参考线。
依据2026-11-02研究稿、同位置总览与算法材料整理。主图和视频保持原样；当前展示为计算方法与数值结果。2%为本研究的比较线，局部杆响应与完整器件实验性能属于不同评价范围。
运动与应力动画
肘部屈伸驱动局部蛇形展开
三段动画分别呈现电极网络随肘部屈伸移动、局部蛇形展开与应力循环，以及固定外端之间的多单元协同变形。
几何动画中，电极网络随左肘屈伸移动，各位点保持图1、图2所用的固定材料对应。打开 / 下载视频 ↗
连续蛇形窗口在完整屈伸周期内展开与回缩，颜色同步显示图7所对应的应力变化。打开 / 下载视频 ↗
固定外端之间的多个单元协同展开，通过内部曲率重分配承担端点伸长。打开 / 下载视频 ↗