自然界中的許多生物在數(shù)億年的進(jìn)化過(guò)程中形成了各種的結(jié)構(gòu)和功能，這些都為人工設(shè)計(jì)提供了寶貴的靈感來(lái)源。近年來(lái)，仿生智能材料和器件引起了研究者的廣泛關(guān)注，并在柔性電子、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

最近，蘇州大學(xué)的研究人員從捕蠅草的感知系統(tǒng)獲得啟發(fā)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出了具有超高靈敏度的傳感器。這種仿生機(jī)械傳感器在機(jī)械穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間和對(duì)機(jī)械信號(hào)的靈敏度方面具有優(yōu)異的性能。

▍仿生觸發(fā)毛機(jī)械傳感器的設(shè)計(jì)與制備

本研究設(shè)計(jì)的仿生觸毛機(jī)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(gòu)成。設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。為模仿此結(jié)構(gòu)，BTHM采用了剛-柔耦合策略，由環(huán)氧樹(shù)脂制成的長(zhǎng)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(zhǎng)5 mm帶缺口結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)允許感覺(jué)細(xì)胞橫跨其間。為模擬此功能，在BTHM底部設(shè)計(jì)了缺口結(jié)構(gòu)，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(guò)將毛細(xì)玻璃管用作模具的模板法來(lái)制備的，而底部基板則是通過(guò)激光燒蝕技術(shù)和亞克力加工而成。使用微電極拉制儀來(lái)拉伸毛細(xì)玻璃管，從而制造帶缺口的基座。通過(guò)調(diào)整落重高度，可以實(shí)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(jié)構(gòu)的毛細(xì)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(zhì)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(xì)玻璃管中。在90°C下固化4小時(shí)后，將固化的PDMS結(jié)構(gòu)從模具中剝離。

BTHM桿的制備繼續(xù)采用毛細(xì)玻璃管作為模具。向毛細(xì)玻璃管中注入環(huán)氧樹(shù)脂，制得環(huán)氧樹(shù)脂桿。在制備傳感器桿過(guò)程中，先按3:1的質(zhì)量比混合環(huán)氧樹(shù)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(shí)，以確保樹(shù)脂固化。最后，從毛細(xì)玻璃管中移除固化的環(huán)氧樹(shù)脂，得到剛性傳感器桿。

壓阻傳感元件構(gòu)成了仿生機(jī)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(gòu)成：導(dǎo)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(lái)進(jìn)行金屬噴涂工藝。為進(jìn)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(jī)械彎曲傳統(tǒng)方法來(lái)制備納米裂紋。本研究開(kāi)發(fā)了一種高效制備納米裂紋的裝置。通過(guò)對(duì)柔性底座桿進(jìn)行重復(fù)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(guò)改變循環(huán)次數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)循環(huán)次數(shù)從20次增加至60次時(shí)，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(duì)載荷的檢測(cè)能力。

接下來(lái)，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(dǎo)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(jī)械傳感器的性能分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，BTHM對(duì)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(cè)方面，BTHM對(duì)連續(xù)和瞬時(shí)微氣流均表現(xiàn)出穩(wěn)定的響應(yīng)。在連續(xù)微氣流的影響下，BTHM的?R/R0呈現(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)；而在瞬時(shí)微氣流的作用下，則觀察到?R/R0的瞬時(shí)尖峰。此外，研究人員對(duì)BTHM在低頻振動(dòng)下的表現(xiàn)進(jìn)行了測(cè)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(fù)的響應(yīng)波形。對(duì)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(dòng)，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(yīng)特性。

▍結(jié)論

本研究基于捕蠅草觸毛的感知機(jī)制與仿生制造，開(kāi)發(fā)了一種新型的仿生觸毛機(jī)械傳感器。該傳感器結(jié)合了觸毛的缺口結(jié)構(gòu)、管狀結(jié)構(gòu)以及剛?cè)狁詈显O(shè)計(jì)策略，并在缺口結(jié)構(gòu)上集成了納米裂紋的Au膜，顯著增強(qiáng)了對(duì)機(jī)械信號(hào)的靈敏度和檢測(cè)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該傳感器能夠靈敏地檢測(cè)微小載荷，并對(duì)連續(xù)及瞬時(shí)微氣流以及低頻和瞬態(tài)振動(dòng)展現(xiàn)出穩(wěn)定的響應(yīng)特性。這些發(fā)現(xiàn)為高性能機(jī)械傳感器的開(kāi)發(fā)提供了新的策略和方法。

來(lái)源：傳感器專家網(wǎng)