仿生機械傳感器對醫(yī)療保健、假肢、人機接口和機器人技術(shù)等各個領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的影響。作為最重要的參數(shù)之一，機械傳感器的靈敏度本質(zhì)上取決于其對機械力的檢測分辨率。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，大連理工大學(xué)研究人員組成的團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“A nanonewton-scale biomimetic mechanosensor”的論文，開發(fā)了一種基于納米裂紋的“電子須”（NCBEW）機械傳感器，其檢測分辨率達到72.2納牛頓（nN）。該傳感器實現(xiàn)了對細(xì)微機械刺激（如微小物體和氣流）的感知，以及對低至30 ?nm高度表面形態(tài)的識別，這是迄今為止報道的仿生機械傳感器所取得的最高分辨率。

更重要的是，研究人員探索了在可穿戴設(shè)備中使用這種機械傳感器來感知相對于身體的重力場方向，這是此類傳感器以前從未實現(xiàn)過的功能。本研究開發(fā)的可穿戴智能系統(tǒng)能夠感知身體的姿勢和運動狀態(tài)，可用于遠(yuǎn)程監(jiān)測老年人的跌倒情況。總之，所提出的NCBEW機械傳感器將當(dāng)前仿生機械傳感器的力檢測分辨率從微牛頓級擴展到了納牛頓級。它不僅賦予設(shè)備對周圍環(huán)境更靈敏的感知能力，而且為個人健康保健和重力感知人工前庭等潛在應(yīng)用提供了機會。

NCBEW機械傳感器模仿了動物的胡須感知系統(tǒng)。貓的胡須以及底層傳感機制如圖1a所示。具體來說，胡須纖維生長在毛囊中，其根部被神經(jīng)細(xì)胞包圍。當(dāng)機械刺激（如外力）作用于纖維上時，纖維的變形會由于其彎曲而推動或拉動神經(jīng)元細(xì)胞。然后，神經(jīng)元細(xì)胞將機械刺激轉(zhuǎn)化為電信號，并最終將電信號傳送到大腦。如圖1b所示，研究人員使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）懸臂梁作為柔性傳感纖維，模仿須狀纖維承受外部載荷并將其轉(zhuǎn)化為內(nèi)部應(yīng)變，并在懸臂梁根部放置一個U形納米裂紋應(yīng)變傳感器作為神經(jīng)元細(xì)胞，從而感知傳感纖維的變形并產(chǎn)生電信號。

圖1 基于納米裂紋的“電子須”（NCBEW）機械傳感器

NCBEW機械傳感器的制造流程如圖1c所示。首先，將一層金（Au）濺射到PDMS薄片上。然后，使用標(biāo)準(zhǔn)光刻法對Au進行圖案化。第三步，再次對Au上的光刻膠進行圖案化，以確定納米裂紋的位置。第四步，樣品被彎曲而產(chǎn)生裂紋。第五步，去除樣品的光刻膠，并使用刀模將PDMS薄片定義為傳感光纖。為實現(xiàn)傾角傳感，還可選擇在傳感光纖的兩側(cè)粘接兩片PDMS。圖1d顯示了NCBEW機械傳感器的照片。圖1e顯示了在Au層中精確制造的納米裂紋，并且可以觀察到重疊的裂紋邊緣。

圖2a顯示了基于納米裂紋的應(yīng)變傳感單元的示意圖。基于Au/PDMS納米裂紋的應(yīng)變傳感單元的工作原理包括重疊效應(yīng)和隧道效應(yīng)。因此，當(dāng)對傳感纖維施加機械刺激，迫使纖維向外彎曲時，電極就會被拉伸，從而使納米裂紋張開。與此同時Au層的電阻急劇增加，從而指示出所施加的機械刺激的值（圖2b）。相反，當(dāng)傳感光纖被迫向內(nèi)彎曲時，裂紋邊緣重疊，Au層的電阻降低。此外，結(jié)合之前有關(guān)納米裂紋傳感器的報道，研究人員建立了機電模型，以顯示所提出的NCBEW機械傳感器的輸出與所施加的力之間的關(guān)系。

圖2 納米裂紋應(yīng)變傳感單元工作原理示意圖

研究人員表征了NCBEW機械傳感器的傳感性能，如圖3所示。NCBEW機械傳感器表現(xiàn)出超高的靈敏度。

圖3 NCBEW機械傳感器的表征

在實際應(yīng)用中，機械傳感器靈敏度的提高可以實現(xiàn)更好的性能和傳感能力。為了展示NCBEW機械傳感器的優(yōu)勢，研究人員利用其傳感器進行了觸覺識別和氣流監(jiān)測，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 NCBEW機械傳感器在觸覺識別中的應(yīng)用

圖5 NCBEW機械傳感器在微小物體和氣流監(jiān)測中的應(yīng)用

在自然界中，人類和一些動物使用前庭系統(tǒng)來感知地球的重力，這對身體來說是一種無處不在的環(huán)境刺激。前庭系統(tǒng)通過耳石和立體纖毛感知重力（圖6a和圖6b）。研究人員證實了NCBEW機械傳感器具有感知人體相對于重力場方向的傾角的功能（圖6），這是目前的仿生機械傳感器尚未實現(xiàn)的。

圖6 NCBEW機械傳感器感知傾角

為了實現(xiàn)類似于人類前庭系統(tǒng)的功能，研究人員開發(fā)了一種可穿戴設(shè)備，將NCBEW機械傳感器、后處理電路和藍牙單元集成到發(fā)帶上（圖7a）。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對身體姿勢和運動狀態(tài)的感知，因此可以作為人工前庭系統(tǒng)，并可用于遠(yuǎn)程監(jiān)測老年人的跌倒情況。

圖7 老年人相對于重力場的身體方位感知和跌倒的遠(yuǎn)程監(jiān)測

綜上所述，通過將基于納米裂紋的應(yīng)變傳感器與柔性傳感纖維集成形成新型“電子須”，研究人員開發(fā)了一種仿生機械傳感器。所提出的NCBEW機械傳感器實現(xiàn)了低至72.2 nN的力的檢測分辨率、對頭發(fā)氣流等微小物體的感知，以及低至30 nm高度的表面形態(tài)識別，這是迄今為止報道的關(guān)于仿生機械傳感器的最高分辨率。除了在檢測分辨率方面的改進之外，研究人員還利用NCBEW器件來感知物體相對于地球垂直方向的傾角，這是此類傳感器以前從未實現(xiàn)過的。因此，提出的NCBEW機械傳感器在靈敏度方面取得了重大進步，并為遠(yuǎn)程醫(yī)療保健的應(yīng)用提供了巨大的潛力。

審核編輯：劉清