2025年大學《智能體育工程》專業(yè)題庫——智能體育器械創(chuàng)新材料應(yīng)用分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪種材料因具有極高的比強度和比模量，常被用于制造高端自行車架、羽毛球拍等智能體育器械？A.鋁合金B(yǎng).鈦合金C.碳纖維復合材料D.聚氨酯泡沫2.智能運動服中用于檢測心率和呼吸的柔性傳感器，通常需要具備良好的以下哪種特性？A.高硬度和耐磨性B.優(yōu)異的導電性和柔性C.高溫耐受性和化學穩(wěn)定性D.強大的自修復能力3.可穿戴智能跑鞋利用能量收集材料將跑步時產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能，以供內(nèi)部傳感器和指示燈使用。這種應(yīng)用最能體現(xiàn)該材料的哪種潛力？A.輕量化B.柔軟舒適C.自供電能力D.耐高低溫4.在選擇智能跳高桿的材料時，首要考慮的因素是？A.材料的成本B.材料的顏色美觀度C.材料的高強度和抗沖擊性D.材料的透明度5.以下哪種材料的應(yīng)用有助于提高智能運動頭盔的安全性？A.鋁鎂合金B(yǎng).聚碳酸酯（PC）C.銅合金D.鈦酸鋇陶瓷6.智能泳衣需要利用導電線路感知肌肉電信號或水流速度，對材料的要求不包括？A.良好的防水透氣性B.優(yōu)異的柔韌性和拉伸性C.高導電性D.超高強度7.形狀記憶合金（SMA）在智能體育器械中具有獨特的應(yīng)用前景，例如用于制作自緊固的綁帶或觸發(fā)式安全裝置。其核心特性是？A.能在低溫下儲存能量，受熱后釋放B.在磁場作用下改變形狀C.具有超導特性D.能吸收并散射特定波長的光8.以下哪項不是使用新型生物活性材料（如骨水泥改性材料）制造智能康復輔具時需要重點考慮的安全性因素？A.生物學相容性B.化學穩(wěn)定性C.X射線透過性（用于監(jiān)測）D.耐久性9.制造需要頻繁彎折的智能瑜伽墊時，應(yīng)優(yōu)先考慮使用哪種材料以確保其耐用性和功能性？A.硬質(zhì)PVC塑料B.橡膠C.柔性TPU（熱塑性聚氨酯）D.玻璃纖維增強材料10.當設(shè)計師需要在智能體育器材中集成多種功能（如傳感、顯示、能量收集）時，可能會傾向于選用多層復合結(jié)構(gòu)材料，主要原因是？A.成本更低B.可以將不同功能的材料集成在同一空間C.更易于加工成型D.提高了材料的整體強度二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述碳纖維復合材料在智能自行車車架設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢。2.智能服裝中使用的柔性傳感器有哪些常見的類型？請列舉兩種并簡述其工作原理。3.解釋什么是材料的“輕量化”特性，并說明其在高端智能運動裝備設(shè)計中的重要性。4.為什么導電纖維或納米材料的應(yīng)用對可穿戴智能運動設(shè)備至關(guān)重要？5.在評估一種新型材料是否適合用于制造智能運動器材時，需要考慮哪些關(guān)鍵的性能指標？三、論述題（每題15分，共30分）1.詳細分析柔性壓電材料在可穿戴智能運動裝備中的應(yīng)用潛力、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。2.以智能跑鞋為例，論述創(chuàng)新材料的應(yīng)用如何影響跑者的運動表現(xiàn)、訓練監(jiān)測和用戶體驗，并探討未來材料發(fā)展的方向。---試卷答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.C*解析思路：碳纖維復合材料具有極高的強度和剛度，但密度卻很小，因此比強度（強度/密度）和比模量（模量/密度）遠超鋁合金、鈦合金等金屬材料，非常適合需要輕量化和高強度的應(yīng)用，如自行車架。2.B*解析思路：心率和呼吸監(jiān)測需要傳感器能夠緊貼皮膚，隨身體一起彎曲變形，同時還需要良好的電學性能來檢測生理信號。柔性（能彎曲）和導電性（能傳輸信號）是此類傳感器的核心要求。3.C*解析思路：題目描述的核心功能是將動能轉(zhuǎn)化為電能，這正是能量收集材料的定義和主要應(yīng)用價值。輕量化、柔軟、耐高低溫等都是有益特性，但自供電能力是其最直接的應(yīng)用體現(xiàn)。4.C*解析思路：跳高桿在起跳和落地瞬間承受巨大的沖擊力，必須保證足夠高的強度和抗沖擊性才能保證運動員的安全。其他因素如成本、顏色、透明度相對而言不是首要考慮的安全指標。5.B*解析思路：智能運動頭盔需要吸收和分散撞擊能量以保護運動員頭部。聚碳酸酯（PC）是一種常見的工程塑料，具有優(yōu)異的抗沖擊性和一定的透明度，常用于制造頭盔外殼。鋁鎂合金較輕但抗沖擊性不如PC；銅合金導電性好但強度和抗沖擊性不適合此應(yīng)用；鈦酸鋇陶瓷硬度高但太脆，不適用于需要吸收沖擊的結(jié)構(gòu)件。6.A*解析思路：智能泳衣的核心功能是傳感和顯示，因此導電性、柔韌性至關(guān)重要。良好的防水透氣性是穿著舒適性的要求，而非傳感功能本身的要求。高強度有助于耐用性，但不是感知功能的核心。7.A*解析思路：形狀記憶合金的特性是在特定刺激（如加熱）下，從低能量狀態(tài)（記憶狀態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰繝顟B(tài)（變形狀態(tài)），釋放儲存的應(yīng)變能，或者通過形變對外部物體產(chǎn)生作用。選項A準確描述了其核心工作原理。其他選項描述的是其他類型材料或SMA的非核心特性。8.C*解析思路：生物活性材料應(yīng)用于康復輔具，必須確保與人體組織安全兼容（生物學相容性）、化學性質(zhì)穩(wěn)定（不會降解或釋放有害物質(zhì)）、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定耐用（耐久性）。X射線透過性可能是某些特殊應(yīng)用（如監(jiān)測內(nèi)部骨骼）的設(shè)計考慮，但不是普遍的、核心的安全性因素。安全性主要關(guān)注材料的生物相容性和化學穩(wěn)定性。9.C*解析思路：瑜伽墊需要頻繁彎曲和卷曲，因此材料必須具有良好的柔韌性和抗疲勞性能，以保持其形狀和功能。TPU（熱塑性聚氨酯）具有這些特性，可以在彎曲后恢復原狀，且相對耐用。硬質(zhì)PVC太脆易斷裂，橡膠太重且可能不透氣，玻璃纖維增強材料太硬且易割手。10.B*解析思路：多層復合結(jié)構(gòu)材料允許將不同功能（如傳感層、電源層、支撐層、保護層）集成在同一空間內(nèi)，實現(xiàn)器件小型化和多功能化。雖然可能增加成本和加工復雜度，但這是多層復合材料的核心優(yōu)勢，特別是在功能集成需求高的智能設(shè)備中。二、簡答題（每題5分，共25分）1.碳纖維復合材料在智能自行車車架設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：極高的比強度和比模量，使車架在保證足夠強度的前提下變得非常輕，有助于提高騎行速度和操控性；優(yōu)異的抗疲勞性能，可以承受長期騎行帶來的反復應(yīng)力；良好的可設(shè)計性，可以通過調(diào)整碳纖維的鋪層方向和方式來優(yōu)化車架的剛度和減震特性；耐腐蝕性，能在各種天氣條件下保持性能穩(wěn)定；易于與碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）制造技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的一體化成型。2.智能服裝中常用的柔性傳感器類型及其工作原理：*柔性導電纖維傳感器：利用導電纖維（如導電紗線、碳納米管纖維、金屬纖維等）編織或針織成織物，通過纖維間的接觸、摩擦或變形改變電路的電阻、電容等電學參數(shù)，從而感知壓力、應(yīng)變、滑移等物理量。例如，壓力傳感器可以通過織物受壓時纖維接觸面積變化來檢測壓力大小。*柔性壓電傳感器：利用壓電材料（如聚偏氟乙烯PVDF、鋯鈦酸鉛PZT的聚合物復合材料）的壓電效應(yīng)，當材料受到機械應(yīng)力或應(yīng)變時，其內(nèi)部會產(chǎn)生電荷，或者其表面會產(chǎn)生電壓。通過測量產(chǎn)生的電荷或電壓可以感知施加的力或壓力。這種傳感器可以做得非常薄且柔韌，貼合皮膚。3.材料的“輕量化”特性是指材料在單位體積或單位質(zhì)量下所具有的質(zhì)量或重量。在高端智能運動裝備設(shè)計中，輕量化至關(guān)重要，原因如下：首先，減輕裝備重量可以直接降低運動員的負擔，減少能量消耗，提高運動表現(xiàn)和耐力；其次，在相同強度下，更輕的材料通常意味著更小的尺寸和更小的風阻，有利于速度項目；再次，輕量化往往與高強度、高模量材料的結(jié)合有關(guān)，有助于實現(xiàn)裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能提升；最后，對于可穿戴設(shè)備而言，輕量化也是保證佩戴舒適性、減少疲勞感的關(guān)鍵因素。4.導電纖維或納米材料的應(yīng)用對可穿戴智能運動設(shè)備至關(guān)重要，主要體現(xiàn)在：首先，是實現(xiàn)各種生理信號（如心電、肌電、呼吸、體溫）和運動姿態(tài)（如關(guān)節(jié)角度、步態(tài)）非接觸式或柔性接觸式傳感的基礎(chǔ)，只有具備導電性才能形成有效的電學通路來采集信號；其次，是實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部能源管理（如柔性電池、超級電容器）和無線通信（如柔性天線）的關(guān)鍵材料；再次，是構(gòu)建柔性可拉伸電子電路和集成系統(tǒng)的核心要素，使得設(shè)備能夠適應(yīng)人體曲線，實現(xiàn)舒適佩戴和功能集成；最后，某些納米導電材料（如碳納米管、石墨烯）還可能兼具優(yōu)異的力學性能、傳感性能和能量收集潛力，推動設(shè)備性能的進一步發(fā)展。5.評估一種新型材料是否適合用于制造智能運動器材時，需要考慮的關(guān)鍵性能指標包括：力學性能（如強度、模量、韌性、疲勞壽命、耐磨性），以滿足結(jié)構(gòu)承載、抗變形、耐磨損和長期使用的需求；材料特性（如密度、柔韌性/可加工性），以滿足輕量化、舒適性和成型要求；電學性能（如導電性、介電性、壓電性），以滿足傳感、信號傳輸和能源收集等功能需求；熱學性能（如導熱性、熱膨脹系數(shù)），以滿足散熱、尺寸穩(wěn)定性和工作溫度范圍要求；環(huán)境適應(yīng)性（如耐候性、耐化學腐蝕性、抗老化性），以滿足在戶外或特定環(huán)境下的使用要求；生物學相容性（如果直接接觸人體），以確保安全無害；以及成本和可制造性，以評估其商業(yè)化和應(yīng)用的可能性。三、論述題（每題15分，共30分）1.柔性壓電材料在可穿戴智能運動裝備中的應(yīng)用潛力、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及可能的解決方案：*應(yīng)用潛力：柔性壓電材料能夠?qū)C械應(yīng)力或應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換為電信號，非常適合用于可穿戴設(shè)備中檢測運動相關(guān)的物理量。例如，可以貼合肌肉或骨骼檢測肌肉收縮產(chǎn)生的肌電信號（EMG），或用于足底檢測步態(tài)沖擊、壓力分布和步頻，還可以用于監(jiān)測關(guān)節(jié)彎曲角度、測量人體姿態(tài)等。其柔性特性使其能夠舒適地貼合人體曲線，而無需復雜的封裝，提高了信號采集的準確性和佩戴的舒適性。此外，壓電材料還可以用于能量收集，將運動中產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能，為設(shè)備供電。*技術(shù)挑戰(zhàn)：*壓電響應(yīng)效率相對較低：相比傳統(tǒng)壓電傳感器，柔性壓電材料的壓電系數(shù)通常較低，需要更大的應(yīng)力或應(yīng)變才能產(chǎn)生可測量的電壓信號，可能影響靈敏度。*長期穩(wěn)定性與可靠性：柔性材料在長期彎曲、拉伸、壓縮或暴露于不同環(huán)境條件下，其壓電性能可能會衰退或發(fā)生變化，影響設(shè)備的長期可靠性。*信號處理與噪聲抑制：柔性傳感器通常輸出微弱的信號，且易受環(huán)境噪聲（如電噪聲、肌電噪聲）和人體運動偽影的干擾，需要高效的信號處理電路和算法來提取有效信息。*集成與封裝：將柔性壓電傳感器與柔性電路、電池、通信模塊等集成到可穿戴設(shè)備中，并進行有效的封裝，以保護傳感器免受磨損和環(huán)境影響，同時保持設(shè)備的柔韌性和舒適性，是一個技術(shù)難點。*可能的解決方案：*提高材料性能：通過材料改性（如摻雜、復合）或結(jié)構(gòu)設(shè)計（如多層結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)）來提高柔性壓電材料的壓電系數(shù)和機械強度。*增強穩(wěn)定性：優(yōu)化材料配方和制備工藝，引入自修復機制或表面處理技術(shù)，提高材料在循環(huán)變形和復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。*優(yōu)化信號處理：采用低噪聲放大器、濾波器、特征提取算法和機器學習技術(shù)，提高信號的信噪比和識別精度。*柔性電子集成：利用柔性印刷電路技術(shù)、柔性封裝技術(shù)（如液態(tài)金屬連接、柔性基板封裝）來實現(xiàn)器件的無縫集成和可靠封裝。*多模態(tài)融合：將柔性壓電傳感器與其他類型的傳感器（如加速度計、陀螺儀）結(jié)合，利用多源信息融合技術(shù)提高監(jiān)測的全面性和準確性。2.以智能跑鞋為例，論述創(chuàng)新材料的應(yīng)用如何影響跑者的運動表現(xiàn)、訓練監(jiān)測和用戶體驗，并探討未來材料發(fā)展的方向。*對運動表現(xiàn)的影響：創(chuàng)新材料的應(yīng)用顯著提升了智能跑鞋的運動表現(xiàn)。輕量化材料（如碳纖維、輕質(zhì)合金、高性能聚合物）減少了跑鞋的重量，降低了跑者的垂直振幅和能量消耗，使跑步感覺更輕盈，有助于提高速度和耐力。高回彈材料（如泡棉改性、形狀記憶材料）吸收地面沖擊，并提供反向彈力，增強了跑者的推地效率和跑步節(jié)奏，可能提升速度和跑步距離。增強型結(jié)構(gòu)材料（如碳纖維板、高強纖維網(wǎng)格）提供了更好的支撐性和穩(wěn)定性，有助于跑者保持正確的跑姿，減少運動損傷風險，尤其是在高強度或長距離跑步中。能量收集材料的應(yīng)用，則可能為跑鞋內(nèi)置的傳感器或指示燈提供部分能量，增強其智能化功能。*對訓練監(jiān)測的影響：創(chuàng)新材料使跑鞋能夠集成更多傳感器，極大地擴展了訓練監(jiān)測能力。例如，足底壓力分布傳感器（可能基于柔性壓電材料或壓力感應(yīng)聚合物）可以實時監(jiān)測跑者的著地方式、壓力重心和足部受力情況，幫助跑者優(yōu)化跑步姿態(tài)，預防過度外旋或內(nèi)旋導致的不適或損傷。步態(tài)分析傳感器（如加速度計、陀螺儀集成在