寧波材料所在蝙蝠翼膜啟發(fā)的氣流傳感系統(tǒng)方面取得進(jìn)展
在自然界中，生物體擁有復(fù)雜多樣的感官系統(tǒng)，可以對(duì)機(jī)械、溫度、濕度和其他不易察覺(jué)的外部刺激（如氣味、光線、聲音、微風(fēng)等）作出反應(yīng)，有效地感知環(huán)境信息。其中，氣流感知功能是生物的感覺(jué)系統(tǒng)的重要組成部分，它可以在不確定的環(huán)境中（如黑暗、嘈雜等）對(duì)非接觸刺激作出有效反應(yīng)，以應(yīng)對(duì)不可察覺(jué)的危險(xiǎn)。實(shí)際上，在實(shí)際應(yīng)用中，由于氣流感知在呼吸監(jiān)測(cè)、飛機(jī)飛行控制、天氣觀測(cè)、煤礦預(yù)警等方面具有廣泛而多樣的應(yīng)用，迫切需要實(shí)現(xiàn)敏感而迅速的氣流感知。近年來(lái)，人們?yōu)殚_發(fā)氣流傳感器做出了大量努力，基于機(jī)械形變機(jī)理的氣流傳感器因其優(yōu)異的柔性和靈敏響應(yīng)性而引起廣泛關(guān)注。然而，以一種簡(jiǎn)單、可控的策略制造具有高靈敏度和自適應(yīng)性的氣流傳感器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員、肖鵬副研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感器方面的研究基礎(chǔ)（Chem. Mater., 2016, 28, 7125； ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Nature Commun., 2020, 11, 4359; Nano Energy, 2021, 81, 105617等），受到蝙蝠翼膜優(yōu)異的氣流感知能力啟發(fā)，開發(fā)了一種基于微彈簧效應(yīng)的高效氣流傳感系統(tǒng)。
本工作采用界面自組裝和原位功能化手段在水/空氣界面實(shí)現(xiàn)了石墨烯/單壁碳納米管（SWNTs）- Ecoflex復(fù)合薄膜（GSEM）的構(gòu)筑。其中，由于石墨烯和碳納米管雜化形成特殊的微彈簧結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在氣流刺激下接觸電阻急劇變化，賦予該氣流傳感器優(yōu)異的傳感性能，包括超低的流速檢測(cè)下限（0.0176 ms-1）、快速響應(yīng)時(shí)間（≈1.04 s）和恢復(fù)時(shí)間（≈1.28 s）?；贕SEM的氣流傳感器可以共形貼附在不同基底表面（包括玻璃片、柔性硅膠板、圓底燒瓶底和粗糙石頭表面）并表現(xiàn)出穩(wěn)定相似的氣流傳感性能，展示出優(yōu)異的自適應(yīng)性。作為概念驗(yàn)證，該氣流傳感器可用于實(shí)現(xiàn)非接觸操縱。它可應(yīng)用于智能窗戶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流速閾值控制的窗戶智能開關(guān)行為。此外，科研人員設(shè)計(jì)了一個(gè)氣流傳感器陣列用來(lái)區(qū)分所施加的氣流刺激大小和空間分布，基于GSEM的氣流傳感器被進(jìn)一步集成到一個(gè)無(wú)線小車系統(tǒng)中并能夠靈敏地捕獲氣流流速信息，實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)方向的實(shí)時(shí)操縱。未來(lái)，基于微彈簧效應(yīng)的氣流傳感系統(tǒng)有望在可穿戴電子設(shè)備和非接觸式智能操縱領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
該工作以“Bionic Adaptive Thin-Membranes Sensory System Based on Microspring Effect for High-Sensitive Airflow Perception and Noncontact Manipulation”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10. 1002/adfm. 202105323。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52073295、51803226）、國(guó)家自然科學(xué)基金委中德交流項(xiàng)目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局（174433KYSB20170061）及王寬誠(chéng)國(guó)際交叉團(tuán)隊(duì)（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的資助。
受蝙蝠翼膜啟發(fā)的高靈敏和自適應(yīng)的薄膜式氣流傳感器的示意圖
氣流傳感器在非接觸式操縱中的應(yīng)用：a) 基于氣流閾值控制窗戶智能開關(guān)，b) 利用氣流傳感器陣列實(shí)現(xiàn)無(wú)線小車運(yùn)動(dòng)方向的實(shí)時(shí)操控
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