自然界中的許多生物在數(shù)億年的進化過程中形成了各種的結構和功能，這些都為人工設計提供了寶貴的靈感來源。近年來，仿生智能材料和器件引起了研究者的廣泛關注，并在柔性電子、可穿戴設備、機器人等領域顯示出廣闊的應用前景。

最近，蘇州大學的研究人員從捕蠅草的感知系統(tǒng)獲得啟發(fā)，設計并開發(fā)出了具有超高靈敏度的傳感器。這種仿生機械傳感器在機械穩(wěn)定性、響應時間和對機械信號的靈敏度方面具有優(yōu)異的性能。

▍仿生觸發(fā)毛機械傳感器的設計與制備

本研究設計的仿生觸毛機械傳感器（BTHM）主要由剛性桿和帶壓阻傳感元件的柔性底座桿構成。設計靈感源于捕蠅草觸毛，研究發(fā)現(xiàn)其是一種具有可變剛度的懸臂梁結構。為模仿此結構，BTHM采用了剛-柔耦合策略，由環(huán)氧樹脂制成的長20 mm的剛性桿（彈性模量2.415 GPa），以及由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的長5 mm帶缺口結構的柔性底座桿（彈性模量0.0004至0.0035 GPa）組成。觸毛底座與桿之間的缺口結構允許感覺細胞橫跨其間。為模擬此功能，在BTHM底部設計了缺口結構，并安裝了壓阻傳感元件。柔性底座桿的直徑為1 mm，固定于尺寸為10 mm × 10 mm × 2 mm的亞克力板上。壓阻傳感元件采用帶納米裂紋的Au膜制造。

桿和底座是通過將毛細玻璃管用作模具的模板法來制備的，而底部基板則是通過激光燒蝕技術和亞克力加工而成。使用微電極拉制儀來拉伸毛細玻璃管，從而制造帶缺口的基座。通過調整落重高度，可以實現(xiàn)不同尺寸缺口的精確制備。將聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒入帶有缺口結構的毛細玻璃管中，以此制造出帶缺口的PDMS基座。將單體和固化劑按10:1的質量比混合，以制備PDMS溶液。為消除氣泡，混合物在真空中脫氣后，再倒入毛細玻璃管中。在90°C下固化4小時后，將固化的PDMS結構從模具中剝離。

BTHM桿的制備繼續(xù)采用毛細玻璃管作為模具。向毛細玻璃管中注入環(huán)氧樹脂，制得環(huán)氧樹脂桿。在制備傳感器桿過程中，先按3:1的質量比混合環(huán)氧樹脂的A液和B液，然后倒入容器中。隨后，將裝有混合溶液的容器放入室溫下的真空干燥箱中，維持真空狀態(tài)約10分鐘以去除混合物中的氣泡。將混合溶液注入玻璃管中。封閉模具兩端后，將其置于70°C的真空干燥箱中固化1小時，以確保樹脂固化。最后，從毛細玻璃管中移除固化的環(huán)氧樹脂，得到剛性傳感器桿。

壓阻傳感元件構成了仿生機械傳感器的核心部件。在本研究中，壓阻傳感元件由兩層材料構成：導電層為厚度為40至50 nm的Au膜，基底層為厚度30 μm的Ge膜。采用離子濺射儀來進行金屬噴涂工藝。為進一步提升傳感性能，研究人員在Au膜上制造了納米裂紋。采用柔性底座桿的機械彎曲傳統(tǒng)方法來制備納米裂紋。本研究開發(fā)了一種高效制備納米裂紋的裝置。通過對柔性底座桿進行重復加載和卸載的彎曲操作，在Au膜上形成了納米裂紋圖案。因此，裂紋密度可以通過改變循環(huán)次數(shù)來調節(jié)。實驗結果顯示，當循環(huán)次數(shù)從20次增加至60次時，裂紋數(shù)量從大約165增加至225。此外，循環(huán)次數(shù)的增加顯著提高了對載荷的檢測能力。

接下來，將這些部件組裝在一起。然后，用直徑為0.05 mm和1.5 mm的銀線分別與基座導電層的上下兩端用液態(tài)金屬鍵合。最后，將傳感器固定在亞克力板上，完成傳感器的制備。

▍仿生觸發(fā)毛機械傳感器的性能分析

實驗結果顯示，BTHM對微小載荷具有顯著的靈敏度，其電阻變化(?R/R0)隨載荷增重而增大。在微氣流檢測方面，BTHM對連續(xù)和瞬時微氣流均表現(xiàn)出穩(wěn)定的響應。在連續(xù)微氣流的影響下，BTHM的?R/R0呈現(xiàn)穩(wěn)定波動；而在瞬時微氣流的作用下，則觀察到?R/R0的瞬時尖峰。此外，研究人員對BTHM在低頻振動下的表現(xiàn)進行了測試，發(fā)現(xiàn)在0.125 Hz、0.5 Hz、1 Hz及2 Hz的頻率下，BTHM展現(xiàn)出明顯且重復的響應波形。對于由不同高度釋放的小球撞擊及手指輕敲桌面所引起的振動，BTHM同樣表現(xiàn)出隨撞擊高度增加而增大的?R/R0，顯示了與手指輕敲相似的響應特性。

▍結論

本研究基于捕蠅草觸毛的感知機制與仿生制造，開發(fā)了一種新型的仿生觸毛機械傳感器。該傳感器結合了觸毛的缺口結構、管狀結構以及剛柔耦合設計策略，并在缺口結構上集成了納米裂紋的Au膜，顯著增強了對機械信號的靈敏度和檢測性能。實驗結果證明，該傳感器能夠靈敏地檢測微小載荷，并對連續(xù)及瞬時微氣流以及低頻和瞬態(tài)振動展現(xiàn)出穩(wěn)定的響應特性。這些發(fā)現(xiàn)為高性能機械傳感器的開發(fā)提供了新的策略和方法。

來源：傳感器專家網(wǎng)