自然界中的許多生物在數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)次數來調節(jié)。實驗結果顯示，當循環(huán)次數從20次增加至60次時，裂紋數量從大約165增加至225。此外，循環(huán)次數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