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

據麥姆斯咨詢報道，近日，大連理工大學研究人員組成的團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了題為“A nanonewton-scale biomimetic mechanosensor”的論文，開發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）。該傳感器實現了對細微機械刺激（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過的功能。本研究開發的可穿戴智能系統能夠感知身體的姿勢和運動狀態，可用于遠程監測老年人的跌倒情況。總之，所提出的NCBEW機械傳感器將當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。它不僅賦予設備對周圍環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用提供了機會。

NCBEW機械傳感器模仿了動物的胡須感知系統。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，其根部被神經細胞包圍。當機械刺激（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元細胞。然后，神經元細胞將機械刺激轉化為電信號，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化為內部應變，并在懸臂梁根部放置一個U形納米裂紋應變傳感器作為神經元細胞，從而感知傳感纖維的變形并產生電信號。

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，使用標準光刻法對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。為實現傾角傳感，還可選擇在傳感光纖的兩側粘接兩片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變傳感單元的示意圖。基于Au/PDMS納米裂紋的應變傳感單元的工作原理包括重疊效應和隧道效應。因此，當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，當傳感光纖被迫向內彎曲時，裂紋邊緣重疊，Au層的電阻降低。此外，結合之前有關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系。

圖2 納米裂紋應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機械傳感器表現出超高的靈敏度。

圖3 NCBEW機械傳感器的表征

在實際應用中，機械傳感器靈敏度的提高可以實現更好的性能和傳感能力。為了展示NCBEW機械傳感器的優勢，研究人員利用其傳感器進行了觸覺識別和氣流監測，結果如圖4和圖5所示。

圖4 NCBEW機械傳感器在觸覺識別中的應用

圖5 NCBEW機械傳感器在微小物體和氣流監測中的應用

在自然界中，人類和一些動物使用前庭系統來感知地球的重力，這對身體來說是一種無處不在的環境刺激。前庭系統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的。

圖6 NCBEW機械傳感器感知傾角

為了實現類似于人類前庭系統的功能，研究人員開發了一種可穿戴設備，將NCBEW機械傳感器、后處理電路和藍牙單元集成到發帶上（圖7a）。該系統實現了對身體姿勢和運動狀態的感知，因此可以作為人工前庭系統，并可用于遠程監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程監測

綜上所述，通過將基于納米裂紋的應變傳感器與柔性傳感纖維集成形成新型“電子須”，研究人員開發了一種仿生機械傳感器。所提出的NCBEW機械傳感器實現了低至72.2 nN的力的檢測分辨率、對頭發氣流等微小物體的感知，以及低至30 nm高度的表面形態識別，這是迄今為止報道的關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，并為遠程醫療保健的應用提供了巨大的潛力。

審核編輯：劉清