自然界中的许多生物在数亿年的进化过程中形成了各种独特的结构和功能，这些都为人工设计提供了宝贵的灵感来源。近年来，仿生智能材料和器件引起了研究者的广泛关注，并在柔性电子、可穿戴设备、机器人等领域显示出广阔的应用前景。

最近，苏州大学的研究人员从捕蝇草的感知系统获得启发，设计并开发出了具有超高灵敏度的传感器。这种仿生机械传感器在机械稳定性、响应时间和对机械信号的灵敏度方面具有优异的性能。研究成果以“Mechanosensor for Proprioception Inspired by Ultrasensitive Trigger Hairs of Venus Flytrap”为题，在中国科技期刊卓越行动计划的高起点新刊《Cyborg and Bionic Systems》上发表。

▍仿生触发毛机械传感器的设计与制备

本研究设计的仿生触毛机械传感器（BTHM）主要由刚性杆和带压阻传感元件的柔性底座杆构成。设计灵感源于捕蝇草触毛，研究发现其是一种具有可变刚度的悬臂梁结构。为模仿此结构，BTHM采用了刚-柔耦合策略，由环氧树脂制成的长20 mm的刚性杆（弹性模量2.415 GPa），以及由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的长5 mm带缺口结构的柔性底座杆（弹性模量0.0004至0.0035 GPa）组成。触毛底座与杆之间的缺口结构允许感觉细胞横跨其间。为模拟此功能，在BTHM底部设计了缺口结构，并安装了压阻传感元件。柔性底座杆的直径为1 mm，固定于尺寸为10 mm × 10 mm × 2 mm的亚克力板上。压阻传感元件采用带纳米裂纹的Au膜制造。

杆和底座是通过将毛细玻璃管用作模具的模板法来制备的，而底部基板则是通过激光烧蚀技术和亚克力加工而成。使用微电极拉制仪来拉伸毛细玻璃管，从而制造带缺口的基座。通过调整落重高度，可以实现不同尺寸缺口的精确制备。将聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒入带有缺口结构的毛细玻璃管中，以此制造出带缺口的PDMS基座。将单体和固化剂按10:1的质量比混合，以制备PDMS溶液。为消除气泡，混合物在真空中脱气后，再倒入毛细玻璃管中。在90°C下固化4小时后，将固化的PDMS结构从模具中剥离。

BTHM杆的制备继续采用毛细玻璃管作为模具。向毛细玻璃管中注入环氧树脂，制得环氧树脂杆。在制备传感器杆过程中，先按3:1的质量比混合环氧树脂的A液和B液，然后倒入容器中。随后，将装有混合溶液的容器放入室温下的真空干燥箱中，维持真空状态约10分钟以去除混合物中的气泡。将混合溶液注入玻璃管中。封闭模具两端后，将其置于70°C的真空干燥箱中固化1小时，以确保树脂完全固化。最后，从毛细玻璃管中移除固化的环氧树脂，得到刚性传感器杆。

压阻传感元件构成了仿生机械传感器的核心部件。在本研究中，压阻传感元件由两层材料构成：导电层为厚度为40至50 nm的Au膜，基底层为厚度30 μm的Ge膜。采用离子溅射仪来进行金属喷涂工艺。为进一步提升传感性能，研究人员在Au膜上制造了纳米裂纹。采用柔性底座杆的机械弯曲传统方法来制备纳米裂纹。本研究开发了一种高效制备纳米裂纹的装置。通过对柔性底座杆进行重复加载和卸载的弯曲操作，在Au膜上形成了纳米裂纹图案。因此，裂纹密度可以通过改变循环次数来调节。实验结果显示，当循环次数从20次增加至60次时，裂纹数量从大约165增加至225。此外，循环次数的增加显著提高了对载荷的检测能力。

接下来，将这些部件组装在一起。然后，用直径为0.05 mm和1.5 mm的银线分别与基座导电层的上下两端用液态金属键合。最后，将传感器固定在亚克力板上，完成传感器的制备。

▍实验表征

为了观察捕蝇草触毛和Au膜上纳米裂纹，研究人员使用了光学显微镜和扫描电子显微镜。

为了系统分析BTHM的性能，他们设计了一个由模态激振器、信号发生器、数字万用表、减振台及固定支架组成的测试装置。

为了验证BTHM的检测能力，研究人员分别进行了BTHM的微载荷、微气流和振动检测实验。

在微载荷实验中，使用了质量在0.0025 g至0.0069 g之间的铝线和银线作为载荷，从距BTHM杆2 cm的高度释放。微气流实验探究了连续气流与单次气流冲击对BTHM电阻的影响。振动实验则采用了不同高度掉落的球和桌面敲击作为振动源。

在应力测试中，通过设置振动器频率为0.5 Hz并保持BTHM与振动器顶杆的接触来施加压力信号。这种设置允许精确检测传感器杆在基座处的偏转所引起的弯曲应力。

▍仿生触发毛机械传感器的性能分析

实验结果显示，BTHM对微小载荷具有显著的灵敏度，其电阻变化(∆R/R0)随载荷增重而增大。在微气流检测方面，BTHM对连续和瞬时微气流均表现出稳定的响应。在连续微气流的影响下，BTHM的∆R/R0呈现稳定波动；而在瞬时微气流的作用下，则观察到∆R/R0的瞬时尖峰。此外，研究人员对BTHM在低频振动下的表现进行了测试，发现在0.125 Hz、0.5 Hz、1 Hz及2 Hz的频率下，BTHM展现出明显且重复的响应波形。对于由不同高度释放的小球撞击及手指轻敲桌面所引起的振动，BTHM同样表现出随撞击高度增加而增大的∆R/R0，显示了与手指轻敲相似的响应特性。

▍结论

本研究基于捕蝇草触毛的感知机制与仿生制造，开发了一种新型的仿生触毛机械传感器。该传感器结合了触毛的缺口结构、管状结构以及刚柔耦合设计策略，并在缺口结构上集成了纳米裂纹的Au膜，显著增强了对机械信号的灵敏度和检测性能。实验结果证明，该传感器能够灵敏地检测微小载荷，并对连续及瞬时微气流以及低频和瞬态振动展现出稳定的响应特性。这些发现为高性能机械传感器的开发提供了新的策略和方法。

文章链接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0065