2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫——運(yùn)動裝備智能化材料研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述形狀記憶合金（SMA）在智能運(yùn)動裝備中實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)緊固”或“形狀恢復(fù)”的基本原理及其潛在應(yīng)用場景。2.闡述電活性聚合物（EAP）作為“人工肌肉”在模擬人體關(guān)節(jié)運(yùn)動、提供主動支撐或反饋等方面的可能應(yīng)用方式，并分析其相較于傳統(tǒng)驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)。3.列舉三種在智能運(yùn)動服裝中用于監(jiān)測生理信號的纖維材料或復(fù)合材料，并簡述其傳感機(jī)制和工作原理。二、4.當(dāng)今運(yùn)動裝備對智能化材料提出了哪些核心要求？請從力學(xué)性能、舒適性、傳感集成度、能源自給、環(huán)境適應(yīng)性等多個(gè)維度進(jìn)行論述。5.以智能運(yùn)動鞋為例，說明集成光纖傳感系統(tǒng)或壓電傳感材料用于監(jiān)測跑者足底壓力分布或地面沖擊時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵材料選擇因素和信號處理問題。6.討論在智能運(yùn)動護(hù)具中應(yīng)用自修復(fù)材料的意義，并分析其在提高護(hù)具耐用性、安全性方面可能帶來的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)。三、7.對于用于制造可穿戴傳感器的智能材料，生物相容性和安全性是至關(guān)重要的考慮因素。請說明評估智能材料生物相容性的主要途徑，并舉例說明何種類型的材料或處理方法可能引發(fā)生物兼容性問題。8.比較形狀記憶合金（SMA）和電活性聚合物（EAP）作為智能運(yùn)動裝備驅(qū)動/執(zhí)行器的性能差異（如響應(yīng)速度、功率密度、能量密度、控制復(fù)雜性等），并分析各自最適合的應(yīng)用場景。9.闡述將微型傳感器、執(zhí)行器與智能材料集成到傳統(tǒng)運(yùn)動裝備（如服裝、鞋墊、護(hù)膝）過程中可能遇到的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決方案或設(shè)計(jì)思路。四、10.隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動裝備智能化材料的研究呈現(xiàn)出哪些新的發(fā)展趨勢？請結(jié)合具體材料或技術(shù)實(shí)例進(jìn)行說明。11.假設(shè)你需要設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測心率并能在心率過高時(shí)提供振動反饋的智能運(yùn)動手環(huán)，請簡述你會考慮采用哪些關(guān)鍵智能化材料，并說明選擇這些材料的原因及其在設(shè)備中的具體作用。12.綜合考慮材料性能、制造工藝、成本、環(huán)境友好性以及最終應(yīng)用效果，評價(jià)當(dāng)前主流智能運(yùn)動裝備所使用的智能化材料（至少列舉三種）的成熟度和發(fā)展?jié)摿Γ㈩A(yù)測未來可能出現(xiàn)的顛覆性材料或技術(shù)。試卷答案一、1.原理：形狀記憶合金（SMA）在低溫下被賦予特定形狀，當(dāng)加熱到其相變溫度（Ms點(diǎn)以上）時(shí)，會自發(fā)地恢復(fù)到其預(yù)先設(shè)定的較高溫度下的形狀。利用這一特性，可通過控制SMA絲的加熱（如通過電流）來驅(qū)動運(yùn)動部件，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)緊固（加熱收縮）或形狀恢復(fù)（加熱展開）。潛在應(yīng)用如智能腰帶（根據(jù)運(yùn)動強(qiáng)度自動收緊）、自適應(yīng)鞋合攏裝置、可變形運(yùn)動護(hù)具等。解析思路：考察對SMA核心原理（偽彈性/單程形狀記憶效應(yīng)）的理解，并能將其與運(yùn)動裝備的功能需求（緊固、展開、形態(tài)調(diào)整）相結(jié)合，闡述其工作機(jī)制和應(yīng)用潛力。2.應(yīng)用方式：EAP作為“人工肌肉”，具有可逆的形變能力，可通過施加電場、應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等方式驅(qū)動。在模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動時(shí)，可將EAP片狀或纖維狀結(jié)構(gòu)集成于關(guān)節(jié)處，通過控制其收縮或伸長來驅(qū)動關(guān)節(jié)活動或提供輔助動力。在提供主動支撐時(shí)，可將EAP集成于護(hù)具或服裝中，根據(jù)需要產(chǎn)生預(yù)緊力或動態(tài)支撐力。在提供反饋時(shí)，可通過EAP的形變或輸出信號，向用戶傳遞觸覺或其他形式的反饋。優(yōu)點(diǎn)是形變范圍大、響應(yīng)靈活、可重量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；缺點(diǎn)是功率密度相對較低、響應(yīng)速度可能較慢、驅(qū)動電壓較高、長期疲勞性能和穩(wěn)定性有待提高。解析思路：考察對EAP基本特性（電活性、形變）及其作為執(zhí)行器的理解，要求說明其具體應(yīng)用形式（驅(qū)動關(guān)節(jié)、主動支撐、反饋）及其原理，并能進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。3.材料與機(jī)制：①色心光纖：利用光纖中產(chǎn)生的色心對特定波長光吸收變化的特性，通過監(jiān)測光吸收變化來感知溫度、應(yīng)變或壓力等。②液晶光纖：利用液晶材料的光學(xué)各向異性隨應(yīng)力、電場或溫度變化的特性，通過監(jiān)測光相位、偏振態(tài)等變化來感知外界刺激。③功能性纖維壓電材料（如PZT纖維）：利用壓電效應(yīng)，即材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生表面電荷，通過測量電荷或電壓變化來感知壓力或沖擊。解析思路：考察對智能纖維材料及其傳感原理的掌握，要求列舉具體材料實(shí)例并解釋其工作原理，體現(xiàn)對傳感技術(shù)的了解。二、4.核心要求：運(yùn)動裝備智能化材料需滿足：①輕量化與高韌性：減輕裝備重量，提高舒適性和運(yùn)動表現(xiàn)，同時(shí)保證足夠的強(qiáng)度和抗沖擊性。②舒適性：具有良好的透氣性、柔軟度、彈性，能與人體皮膚良好貼合，無刺激，穿著體驗(yàn)佳。③傳感集成度與可靠性：能夠精確、實(shí)時(shí)地感知運(yùn)動狀態(tài)、生理信號或環(huán)境信息，且集成方式牢固可靠，耐用性好。④能源自給或高效供能：優(yōu)先選用可利用動能、熱能等自發(fā)電的材料，或?qū)╇姺绞剑ㄈ缛嵝噪姵?、無線充電）有良好兼容性。⑤環(huán)境適應(yīng)性：能在運(yùn)動過程中承受的溫度、濕度、摩擦、疲勞等環(huán)境條件下保持性能穩(wěn)定。⑥智能化與互聯(lián)性：材料本身或與材料集成的器件能實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、反饋或與其他設(shè)備無線通信。解析思路：考察對智能運(yùn)動裝備材料性能要求的全面理解，要求從多個(gè)維度（功能、人體工學(xué)、技術(shù)、環(huán)境）進(jìn)行系統(tǒng)論述。5.關(guān)鍵因素與問題：①材料選擇：需考慮材料的力學(xué)性能（耐磨損、抗疲勞）、傳感靈敏度與線性度、柔韌性（適應(yīng)足部形態(tài)）、防水防潮性能、生物相容性以及與鞋材的復(fù)合性。②傳感信號處理：需解決信號在復(fù)雜運(yùn)動和潮濕環(huán)境下的噪聲干擾問題，提高信號的信噪比；需要設(shè)計(jì)合適的信號采集、放大、濾波和轉(zhuǎn)換電路；需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。③結(jié)構(gòu)集成：如何將傳感器無創(chuàng)或微創(chuàng)地集成于鞋墊中，保證與足底接觸良好，同時(shí)不影響穿著舒適度和鞋子結(jié)構(gòu)。解析思路：考察將傳感技術(shù)應(yīng)用于具體裝備（智能運(yùn)動鞋）時(shí)的綜合考量能力，要求分析材料選擇依據(jù)和系統(tǒng)集成中的關(guān)鍵技術(shù)問題（材料、信號處理、結(jié)構(gòu)）。6.意義與優(yōu)勢及挑戰(zhàn)：意義：自修復(fù)材料能夠自動修復(fù)在使用過程中產(chǎn)生的微小裂紋或損傷，從而延長裝備的使用壽命，保持其功能完整性，提高安全性。優(yōu)勢：提高裝備的可靠性和耐用性，減少維護(hù)需求，可能降低長期使用成本，提升用戶體驗(yàn)。挑戰(zhàn)：自修復(fù)材料的修復(fù)效率、修復(fù)程度、修復(fù)后的性能恢復(fù)程度、長期循環(huán)修復(fù)性能、以及修復(fù)過程的能量消耗和環(huán)境影響等仍面臨挑戰(zhàn)。此外，將自修復(fù)功能集成到復(fù)雜的運(yùn)動裝備結(jié)構(gòu)中，并確保其與主體材料的性能匹配也具有一定難度。解析思路：考察對自修復(fù)材料概念及其在特定應(yīng)用場景（智能運(yùn)動護(hù)具）中價(jià)值（意義）的理解，并能分析其帶來的好處（優(yōu)勢）以及實(shí)際應(yīng)用中存在的問題和困難（挑戰(zhàn)）。三、7.評估途徑：評估智能材料生物相容性的主要途徑包括：①體外細(xì)胞毒性測試：如細(xì)胞增殖抑制實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察等，評估材料對體外培養(yǎng)細(xì)胞的毒性影響。②體外過敏原性測試：如皮膚致敏測試模型。③體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)：將材料植入動物（如老鼠、兔子）體內(nèi)不同部位（如皮下、肌肉、骨膜），觀察其周圍組織的炎癥反應(yīng)、肉芽腫形成、血管化情況等，評估短期和長期的全身和局部生物相容性。④材料化學(xué)成分分析：分析材料釋放到體液中的可降解小分子是否具有毒性。⑤臨床前安全評價(jià)：在進(jìn)行臨床試驗(yàn)前，綜合體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行系統(tǒng)的安全性評估?？赡芤l(fā)問題的材料/方法：含有重金屬離子（如鉛、鎘）的材料、未完全聚合的單體殘留、表面粗糙度過大或化學(xué)性質(zhì)過于活潑導(dǎo)致過度刺激、降解產(chǎn)物具有毒性等。解析思路：考察對生物相容性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和常用實(shí)驗(yàn)方法的了解，要求列舉主要評估途徑，并能舉例說明可能導(dǎo)致生物相容性問題的材料特性或處理過程。8.性能差異與場景分析：性能差異：SMA響應(yīng)速度較快（毫秒級），功率密度相對較高，結(jié)構(gòu)相對簡單，但能量密度不高，控制通常需要外部加熱源（可能較復(fù)雜），且存在疲勞問題。EAP（如PZT）能量密度和功率密度可能更高，可實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的控制，可直接由電場驅(qū)動，但響應(yīng)速度可能相對較慢（微秒級或更長），驅(qū)動電壓通常很高，材料本身較脆，長期穩(wěn)定性有待提高。應(yīng)用場景：SMA更適合需要較大驅(qū)動行程、相對粗略控制或?qū)憫?yīng)速度要求不極致的場合，如自適應(yīng)緊固、簡單姿態(tài)調(diào)整。EAP更適合需要高精度控制、柔性驅(qū)動、微型化或直接電驅(qū)動的場合，如微型傳感器、精細(xì)執(zhí)行器、軟體機(jī)器人驅(qū)動。解析思路：考察對兩種主流智能執(zhí)行材料（SMA和EAP）關(guān)鍵性能參數(shù)（速度、功率、能量、控制等）的對比分析能力，并能根據(jù)性能特點(diǎn)判斷各自適宜的應(yīng)用領(lǐng)域。9.技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案：主要挑戰(zhàn)：①材料與基體的兼容性及界面問題：智能材料與傳統(tǒng)裝備基材（如橡膠、塑料、紡織品）在熱膨脹系數(shù)、力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性等方面可能存在差異，導(dǎo)致界面脫粘、應(yīng)力集中等問題。②集成工藝復(fù)雜性：如何將尺寸微小的傳感器、執(zhí)行器與柔性、可拉伸的智能材料有效集成，并保證其在復(fù)雜形狀和動態(tài)運(yùn)動下的可靠性和穩(wěn)定性。③能源供應(yīng)問題：為集成在裝備中的智能器件提供持續(xù)、穩(wěn)定、便攜的能源是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。④信號傳輸與數(shù)據(jù)處理：大量傳感器集成后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如何高效、低功耗地傳輸，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和解讀。⑤長期可靠性與壽命：裝備在實(shí)際運(yùn)動使用中會經(jīng)受拉伸、彎曲、摩擦、沖擊等循環(huán)載荷，如何保證集成器件的長期可靠性和壽命。解決方案/思路：①開發(fā)新型復(fù)合材料或采用表面改性、涂層技術(shù)改善界面結(jié)合。②采用柔性印刷電子技術(shù)、嵌入式集成等先進(jìn)工藝。③利用能量收集技術(shù)（如壓電、熱電、摩擦電）實(shí)現(xiàn)自供電，或設(shè)計(jì)高效、小巧的柔性電源管理方案。④采用低功耗通信協(xié)議（如BLE），設(shè)計(jì)智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和濾波。⑤進(jìn)行嚴(yán)格的可靠性測試和設(shè)計(jì)冗余，選用耐疲勞材料。解析思路：考察分析復(fù)雜工程問題并提出解決方案的能力，要求識別集成智能化材料到運(yùn)動裝備中的主要技術(shù)瓶頸，并針對這些問題提出合理的技術(shù)途徑或設(shè)計(jì)思路。四、10.新趨勢：①多材料融合：將不同功能（傳感、驅(qū)動、能源、自修復(fù)）的智能材料進(jìn)行復(fù)合集成，實(shí)現(xiàn)多功能一體化。②與人工智能/大數(shù)據(jù)融合：傳感器收集的數(shù)據(jù)通過邊緣計(jì)算或云端AI算法進(jìn)行深度分析，提供更精準(zhǔn)的運(yùn)動評估、生理監(jiān)測、訓(xùn)練建議甚至預(yù)測性維護(hù)。③柔性可穿戴與植入式技術(shù)：開發(fā)更柔軟、更貼合、甚至可植入的智能材料，實(shí)現(xiàn)無感監(jiān)測和更深入的生理交互。④可持續(xù)與環(huán)保材料：研究開發(fā)生物基、可降解或可回收的智能化材料，減少環(huán)境污染。⑤腦機(jī)接口與意念控制：探索利用智能材料實(shí)現(xiàn)運(yùn)動裝備對用戶意圖的感知和響應(yīng)。解析思路：考察對智能運(yùn)動裝備材料領(lǐng)域前沿動態(tài)的關(guān)注度和理解能力，要求結(jié)合具體實(shí)例（隱含在趨勢描述中）說明發(fā)展方向。11.材料選擇與作用：關(guān)鍵材料：①導(dǎo)電纖維/紗線（如導(dǎo)電滌綸、碳纖維）：用于構(gòu)建服裝的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信號傳輸和電極接觸。②壓電傳感器纖維/薄膜（如PVDF）：集成于手腕或胸部，利用壓電效應(yīng)感知心拍引起的機(jī)械振動，實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測。③柔性振動馬達(dá)：作為反饋裝置，在心率過高時(shí)產(chǎn)生觸覺振動報(bào)警。④形狀記憶合金（SMA）線或纖維（可選）：可用于設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)松緊的綁帶或提供輕微的動態(tài)支撐反饋。⑤柔性電路板（FPC）與電池（小型）：用于連接傳感器、驅(qū)動振動馬達(dá)和供電。選擇原因與作用：導(dǎo)電纖維構(gòu)建監(jiān)測和反饋的基礎(chǔ)；壓電纖維是實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測的核心傳感元件；振動馬達(dá)是實(shí)現(xiàn)反饋的關(guān)鍵執(zhí)行元件；SMA可提供額外的智能化功能；FPC和電池是系統(tǒng)集成和運(yùn)行的基礎(chǔ)。解析思路：考察設(shè)計(jì)思維和材料應(yīng)用能力，要求針對具體應(yīng)用需求（監(jiān)測心率、振動反饋），選擇合適的智能化材料，并說明選擇理由及其在系統(tǒng)中的具體功能定位。12.成熟度與發(fā)展?jié)摿υu價(jià)：主流材料評價(jià)：①導(dǎo)電纖維（如碳纖維、導(dǎo)電滌綸）：技術(shù)成熟度高，成本相對較低，集成容易，在智能服裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但傳感精度和功能性有限。②壓電材料（如PVDF）：傳感性能良好，技術(shù)較成熟，已應(yīng)用于運(yùn)動監(jiān)測，但驅(qū)動電壓高、易疲勞是其挑戰(zhàn)。③形狀記憶合金（SMA）：基本原理成熟，應(yīng)用開始增多，但能效、響應(yīng)速度、長期穩(wěn)定性仍需提高，成本較高。發(fā)展?jié)摿Γ孩傩滦蛡鞲胁牧希喝缁诹孔有?yīng)、生物兼容性材料的傳感器，有望實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、無創(chuàng)、多維度的生理和