基于柔性双层磁性纤毛的触觉和气流传感器，可灵敏地检测微力与气流
2023-01-31 22:12:31   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院空天信息创新研究院研究员陈嘉民及其研究团队受仿生学概念启发，开发了一种基于柔性双层磁性纤毛的触觉和气流传感器，该传感器在力和气流检测方面具有极高的灵敏度，对微力的检测范围为0 ~ 60 μN，分辨率为2.1 μN，对气流速度的检测灵敏度为1.43 μT/(m/s)。该传感器可用于表面粗糙度表征和睡眠呼吸暂停监测。相关研究成果已发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

本研究提出的基于柔性双层磁性纤毛的触觉和气流传感器

触觉传感器可以帮助机器人获取各种触觉信息，如压力、振动、粗糙度、温度甚至气流，目前广泛应用于智能机械手、微创手术、电子皮肤、智能假肢和人机交互等领域。目前大多数已报道的触觉传感器对微力的检测限通常在1 mN以上，灵敏度不够高。此外，广义的触觉不仅需要感知力，还需要感知气流。例如，人们只要伸出手就能知道是否有风。然而，这对于只有触觉传感器的机器人来说很困难。为了测量气流速度，需要为机器人安装额外的传感器。因此，增强触觉传感器感知微力甚至气流的检测能力对于机器人的智能化和小型化具有重要意义。

纤毛结构是自然界已知的最敏感的结构之一，例如鱼的侧线、蜘蛛腿上的毛发以及蚊子的触角。纤毛结构有助于生物体实现对环境的敏感感知，其应用能够大大提高触觉传感器的检测能力。随着磁传感器的快速发展，在磁性纤毛弯曲过程中检测磁场的微小变化成为可能。为了制备磁性纤毛，以往一些研究使用了脱膜方法，然而该制备方法在提高纤毛的磁性和柔韧性、实现纤毛的大纵横比、灵活控制磁颗粒分布，以及在制备工艺复杂性和成本等方面存在诸多问题需要解决。

为了克服上述问题，该项工作中，研究人员提出一种新的设计方法，利用纤毛结构的优异性能，将纤毛与磁性传感器相结合，开发出一种基于柔性双层磁性纤毛的触觉和气流传感器。纤毛的上层含有大量磁性颗粒，磁性颗粒与柔性基质的质量比可达70%，为纤毛提供了足够的磁性。纤毛的下层是纯柔性基质，确保了高度的柔韧性。这种双层结构能够在提高纤毛磁性的同时确保其柔韧性。针对脱模方法无法制备大纵横比纤毛的问题，研究人员提出一种金属管压制（MTP）方法，该方法制备的纤毛纵横比可超过30:1。此外，金属管压制方法不需要大型MEMS设备，因此制造工艺简单、成本低。

利用金属管压制方法制备触觉和气流传感器的过程

a）用游标卡尺测量纤毛长度；b）纤毛直径；c）纤毛中磁性颗粒的扫描电镜（SEM）图像；d）双层纤毛和聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的结合：e）附在指尖上的触觉传感器照片；f）PDMS胶片上的多纤毛阵列照片；g）本研究的电路图；h）柔性印刷电路板（FPC）照片；i）精密测试系统示意图

该触觉和气流传感器对微力的分辨率为2.1 μN，灵敏度为0.63 μT/ μN。这种性能优于以前报道的其他磁性触觉传感器。该传感器还展示出出色的气流速度检测能力，灵敏度为1.43 μT/(m/s)。反复弯曲实验证明了该传感器的耐用性，通过使用参考传感器可以减少外部磁场的干扰。

得益于微力检测的优异性能，该传感器可用于表征粗糙度。除此之外，该传感器对气流感知的敏感能力使其在智能机器人和医疗方面也有很大的应用潜力。该传感器可以制成可穿戴的“人造胡须”，应用于睡眠呼吸暂停的监测。与多导睡眠图（PSG）相比，该传感器具有体积小、成本低、舒适度高等优点，更适合家庭使用。

a）具有不同粗糙度的砂纸；b）表征不同表面粗糙度的结果；c）睡眠呼吸暂停监测测试方案；d）睡眠呼吸暂停监测测试结果（插图为正常呼吸波形的放大视图）

总而言之，该项工作中，研究人员设计了一种基于双层磁性纤毛的触觉和气流传感器，可以同时检测力和气流运动。其双层结构可以在保证纤毛柔韧性的同时，显著提高磁性颗粒含量（70%以上）。此外，研究人员进一步提出了金属管压制方法以制备具有更大纵横比（超过30：1）的纤毛。该触觉和气流传感器对微力和气流极其敏感，在表面粗糙度表征和睡眠呼吸暂停监测方面表现出优异的性能，适用于多种可穿戴电子产品，在智能机器人和医疗领域将发挥巨大的应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-022-00478-9

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