劉錦淮研究員:仿生傳感器研究將大大豐富人類的物質世界

2020-11-23 科學網
劉錦淮研究員：仿生傳感器研究將大大豐富人類的物質世界

 

 

劉錦淮 博士，中科院合肥智能機械研究所研究員，博士生導師，長期以來主要從事納米材料與器件、檢測技術的研究。

 

人類能否發明某種裝置，像魚兒一樣敏銳感知水中的細微擾動？或者學習蝴蝶，隨著空氣中化學成分的變化更改翅膀的色彩？

 

歷經幾十億年的進化，生物界與自然的融合趨於完美。而模仿生物的特殊結構和功能，一直是人類技術思想、發明創造的源泉。作為仿生科技的重要一員，仿生傳感器是基於生物學原理設計的可以感受規定待測物並按照一定規律轉換及輸出可用信號的器件或裝置，它是一種採用新的檢測原理的新型傳感器，由敏感元件和轉換元件組成，另外輔之以信號調整電路或電源等。

 

敏感機制的仿生

 

仿生傳感器的設計理念主要涵蓋兩大方面：一是敏感機制的仿生，包括敏感材料與敏感原理的仿生設計；二是傳感器功能的仿生。仿生敏感材料（也被稱為仿生智能材料）與仿生原理是發展仿生傳感器的基石與核心，直接決定了仿生傳感器技術的應用價值，該領域研究極為活躍。

 

中科院院士、中科院化學所研究員江雷等通過改變碳納米管陣列的形貌以及對碳納米管進行修飾，可以實現對其親水性能的調控，甚至達到如荷葉般的超疏水性。另外，他們基於仿生學原理，以高分子聚合物為溫度敏感材料，通過熱誘導結合表面化學修飾，實現了超雙親/超雙疏功能的可逆開關。2010年，他們又在《自然》（Nature）雜誌上報導了基於蜘蛛絲的內部結構及吸溼原理，設計出具有納米孔結構的纖維，甚至實現了對溼氣中水滴的直接採集。

 

中科院合肥智能機械所的研究人員基於珊瑚的結構特點，通過分子化學組裝方法，設計納米顆粒組裝的仿珊瑚結構半導體材料，其氣體敏感性能、光電轉換性能等與傳統塊體材料甚至常規結構納米材料相比均獲得大幅提高，可廣泛應用於化學/生物傳感器、染料敏化太陽能電池等諸多領域；基於人工抗體原理的分子印記仿生傳感器，在爆炸物、環境汙染物的檢測方面也極具價值；通過對壁虎腳中吸盤微結構的分析，採用半導體微納加工技術，製作了仿壁虎腳功能的傳感器，結合相應驅動裝置，可以在各種複雜表面上自由攀爬。

 

另外，中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所、清華大學、北京大學、哈爾濱工業大學等單位也開展了大量卓有成效的工作，取得的一批成果走在了國際前沿。

 

傳感器功能的仿生

 

另一方面，模仿生物的功能，研製具有與其功能相似的傳感器為人類所用，也是極具吸引力的領域。

 

基於人手皮膚的觸覺感應以及肌肉的伸縮原理，義大利與瑞典科學家聯合研製了基於傳感器陣列的仿生感應系統和由反饋信號控制的機械聯動裝置，可以模擬人手實現對各種複雜形貌物體的抓與放，並進行搬動。

 

合肥智能機械所則採用氣體傳感器陣列，開發了可任意組合、結構形狀不限的電子鼻探測器，可以實現易製毒化學品的現場快速檢測，能檢出並判定12種易製毒化學品，檢測時間小於兩分鐘，特別適用於車站、邊檢口岸等場所的安檢。

 

近年來，模仿魚類的仿生傳感器研究成為新的熱點。韓國建國大學的研究人員採用壓阻執行器模擬魚尾鰭，並通過調節執行器頻率控制尾鰭的擺動速率，獲得了直行速度2.5釐米/秒的機器魚。我國哈爾濱工業大學的研究人員則採用具有形態存儲功能的合金材料作為魚鰭，研製了一種微型機器魚，其可直行亦可繞行，直行的最大速度達到11.2釐米/秒，最小拐彎半徑13.6釐米。此外，美國麻薩諸塞州理工學院以及英國艾塞克斯大學的研究人員也正在開展此方向的研究。目前，機器魚無論是直行速度還是遊動靈活性方面，都日益貼近真實。

 

眾所周知，魚類賴以生存的感應器官在於其側線，探測障礙物、感應水中擾動乃至追蹤定位獵物，無不依靠其側線感應器官。側線就像是從頭到尾排列了多個傳感器，探測來自不同方向的刺激，魚類利用不同部位感受器報警的強度與時間差測定刺激的大小和方位。許多陸生生物也具有結構與功能相似的器官，比如昆蟲的觸角。這樣看來，若能對魚側線的內部結構及其作用機制進行模仿，獲得相似的感知功能，對於水下物體的靈敏感知與精確定位、潛艇艦船的航行與水下機器人的精確控制、動態環境的實時監控等都具有重要意義。

 

在這方面，喬治亞理工學院的研究人員走在了前列，他們開發出一種基於絨毛觸覺敏感的仿魚側線傳感器，在模擬水體環境下進行測試，發現絨毛對流體擾動信號響應十分靈敏。這種新型仿生傳感器甚至被美國軍方寄予厚望，有望發展成為超越聲吶的超靈敏、抗幹擾能力強的新一代水下探測器。

 

利用相似的仿生原理，荷蘭科學家模仿蟋蟀的觸角結構，製作了基於納米柱陣列的仿生流體傳感器，對細微擾動也表現出高的靈敏度。

 

未來：更微觀，更小型化

 

仿生傳感器技術發展至今，從智能材料到傳感器件構築與應用，都達到了很高水平。當然，隨著研究的不斷深入以及應用領域的逐步拓展，對仿生傳感器也提出了越來越苛刻的要求。

 

一方面，仿生傳感器日益朝著基於生物組織本身的微觀結構及其作用機制模仿的方向發展；另一方面，基於某些整體裝置的小型化、便攜化、低碳節能化考慮，仿生傳感器的微型化也成為一大挑戰。

 

由宏觀到微觀的轉變，使得納米技術這一迅速發展起來的高新技術成為最佳選擇。比如美國GE公司全球研發中心即將投入開發的仿生光敏納米傳感器，即是納米技術與仿生結合的典型例子，通過模仿蝴蝶翅膀鱗片中獨特的納米結構，以實現環境中的化學物質高靈敏光學探測。又如基於納米壓印技術發展的高分子聚合物納米透鏡陣列，可以實現昆蟲複眼的多角度觀察功能。

 

納米技術將是未來發展新型結構與功能仿生傳感器的研究重點與熱點。可以預見，基於納米技術與仿生學原理開發的新一代納米仿生傳感器，將大大豐富人類的物質世界，使人們的生活更加便利、舒適與安全。（責任編輯：肖潔）

 

《科學時報》 (2011-01-06 A1 要聞)

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