仿生柔性电子应用柔性仿生传感器领域取得系列进展|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

柔性仿生传感器领域取得系列进展

随着柔性电子学、材料科学及微纳加工技术发展，柔性/可穿戴电子技术近年来成为电子器件研究的重要领域。其中，能够实现对外界信号精确感知的高性能柔性可延展传感器是其中的基础性核心元器件之一。由于具有良好曲面共形特征及轻、柔、韧等特性，柔性传感器在人机交互、智能机器人、人工智能、可穿戴设备、医疗监测及运动健康等战略新兴领域具有广阔的应用前景。目前，科研人员在柔性电子器件研究中做出了很多创新性的工作，且该领域吸引了越来越多研究者的关注。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张珽课题组与合作团队在纳米智能材料、仿生微纳结构、柔性可延展传感器件及其智能系统方面取得系列研究进展，并实现了柔性微纳传感器的工程化、印刷批量制造与部分专利技术的产业化，受到国际国内同行的关注（代表性的论文如下：Adv. Mater., 2014, 26, 1336、Adv. Mater., 2015, 27, 1370、Sci. Adv., 2016, 2(7), e1600209、Nano Lett.,2017, 17(1), 355、Adv. Sci.,2017, 4, 1600404、Small,2017, 1602790、Nano Res., 2017, 10(8): 2683、Adv. Mater., 2017, 29, 1702517、Anal. Chem., 2017, 89, 10224、Adv. Sci.,2018，5, 1800558、Energy Storage Mater., 2018, 15, 315、Small, 2018, 14(36), 1703902）。

面向特定应用场景的需求，柔性传感器须满足高灵敏度、高稳定性、快速响应时间和长工作寿命等要求。迄今，人们发展了多种手段来提高柔性传感器的综合性能，包括敏感材料合成及器件设计制备等，但这些手段通常都是基于现有复杂的加工手段及材料合成方法，存在一定的局限性。“仿生”是科学技术研究中重要的理念与方法之一，在自然界中，经过千百万年演变与进化，各种生物体都能通过其独特的形状与功能实现对生存环境的适应。例如，蜘蛛可通过腿部皮肤裂纹微结构高灵敏地感知地面微振动而实现远距离探测，变色龙/章鱼等能通过感知外界光线变化而改变皮肤色彩来进行伪装保护等。因此，通过向自然学习，对生物界存在的物质及结构进行“模仿”和创新，发展以类似趋生物性的方式对外界多重物理、化学信息实时精确感知的仿生传感器件，为新型电子器件的设计与传感技术的发展提供丰富的思路和方法，表现出人工智能特性，并拓宽探测技术的应用范围。

近日，张珽课题组受Accounts of Chemical Research期刊的邀请，发表了题为Materials, Structures, and Functions for Flexible and Stretchable Biomimetic Sensors的综述文章，阐述了该课题组和相关团队最近几年在柔性仿生传感器领域的研究工作，体现了仿生柔性传感器技术是实现“（机器）人-信息-物理系统”高效融合的重要途径（图1），并展望了该研究领域存在的问题和发展方向（Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288-296，Inside Cover,DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00497）。

皮肤组织是生物体最大的感知器官，具有力学、温湿度、触觉等多种综合感知能力，作者从最具代表性的柔性仿生传感器-仿生“电子皮肤（Electronic skin）”出发，首先分析指出通过构建具有特殊功能或复合性能的新型敏感材料，能赋予传感器多功能的感知能力。例如，通过吸附水（Bound water）的吸脱附，敏感高分子膜能实现光、湿度双重响应同时通过材料形变来将信号响应“可视化”。另外，通过多功能材料设计制备能赋予器件特殊性能，例如，利用蚕丝（Silk）等天然物质或可降解材料构筑生物相容或可溶解传感器、利用聚合物氢键作用机理的具有类“皮肤”自修复功能的柔性传感器、基于超疏水能力智能涂层的多功能可拉伸传感器等。同时，分析指出通过设计和构筑多种仿生微纳敏感结构来提升柔性传感器性能。例如，通过对自然界中动物（蜘蛛等）、植物（荷叶、花瓣等）中仿生微纳结构的复形，构筑了能实现宽的感知范围或选择性方向响应特性的柔性传感器（图2a-b）；基于仿织物条纹微纳结构组装的柔性器件（图2d），能实现对微小压力（0.6 Pa）的快速响应（10 ms）；通过对自然界中自不稳定态（Instabilities，如波浪、云层、沙丘等）的模仿，可实现柔性传感器高延展性；采用预应力拉伸方法所组装的具有“wave”结构的一维纤维状/二维平面状柔性器件具备超延展（最大＞1000 %拉伸形变）的特性（图2c）。通过柔性器件与异形曲面如人体器官等表界面的紧密贴合，进一步拓宽了柔性传感器件在人体、轻量化装备等方面的应用。

生物体尤其是人体的五官（触觉、听觉、嗅觉、视觉及味觉），是实现其对外界信息感知与交互的重要基础性功能。张珽团队从生物体感官功能角度出发，实现了多种新型柔性仿生器件的设计构建，如柔性仿生电子皮肤传感器（E-skin）、柔性仿生指纹结构传感器（Electronic Fingerprint）、柔性仿生电子耳膜（Electronic Eardrum）等（图3），实现了对脉搏、心跳及血管微压的高灵敏检测（图3a），对表面剪切力、织物条纹及盲文字母的精确检测（图3b），以及对宽频振动信号（20-13000 Hz）的高信噪比（～55 dB）、高稳定响应（150000 cycles）（图3c）。结合课题组研制的微纳气体传感器（嗅觉）及可穿戴汗液传感器（味觉）等，类皮肤多参数感知特性的多功能柔性传感器系统将逐渐成为现实，未来将赋予仿生机器人等系统更加“智能”的类生物器官感知功能。

张珽从材料设计、系统集成及应用场景角度展望了该领域未来发展方向，如通过将形状记忆合金材料、金属有机框架材料及非传统的分子机器、细胞有机体等引入器件设计之中，开发具有新的仿生物体功能的柔性传感器件；通过系统设计，构筑轻量化仿生鱼、仿生鸟等智能柔性传感-驱动一体化系统等。

上述工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金和中国博士后基金等支持。文章的第一作者为李铁，硕士研究生李玥参与该工作。

图1. 仿生柔性传感器综述发表于Accounts of Chemical Research (2019, 52, 288-296, Inside Cover)

图2. 基于（a）纳米碳材料裂纹结构、（b）荷叶表面微纳结构、（c）“wave”延展结构、（d）织物微纳结构组装的仿生柔性传感器。

图3.（a）柔性仿生电子皮肤传感器（“E-skin”）；（b）柔性仿生指纹传感器（“Electronic fingerprint”）；（c）柔性振动传感器-“电子耳膜（Electronic eardrum）”

来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

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仿生技术：赋予美海军更灵活隐蔽的作战能力

导语

7月1日，美海军学院《论文集》刊文《动若鲨鱼隐如乌贼——海军必须投资仿生学以维持在公海上的主导地位》 。文章概述了人类探索研究仿生学的历史，指出仿生技术有利于未来的海军架构和作战，赋能作战平台更具隐蔽性、灵活性和敏捷性，可在关键领域中发挥重要作用，最后建议海军领导人将仿生船体设计与建造工程尽快纳入海军架构，有效提高美海军的作战能力。

一、仿生学的研究历史

仿生学是指研究生物体的结构与功能工作的原理，利用模仿自然体的人工机制合成类似产品。几个世纪以来，人类一直探索研究仿生学，尝试像复杂的动物生命体一样移动和行动。人们甚至可以在古希腊神话中找到仿生学的影子，比如阿芙罗狄蒂和她儿子厄洛斯伪装成鱼，从长得像水蛇的提丰身边滑过。在前工业化时代，水手梦想木质和包钢的帆船能像海龟和海豚一样，可以在大海中平稳快速地航行，但因为技术限制而未能实现。

直到现在，物理学家、工程师、计算机科学家和技术人员可在物理实验中密切合作，进行更深层次的仿生学研究。科学界以前人的知识为基础，利用人工机器，混合纺织品、化合物与各种合金，取得了卓越的成就。太平洋西北国家实验室的科学家和工程师复制出了自然界中骨骼形成和愈合的过程，麻省理工学院的仿生机器人实验室，在机器人身上重现了动物的运动和生理特征。

尽管仿生学尚未像5G、人工智能或分布式云计算等新兴技术那样受到重视，但是在未来，仿生学将改变国家安全的游戏规则。因此，为了保持领先于竞争对手的优势，美国海军需要将仿生舰队的概念由设想转变为现实。

二、在关键领域中利用仿生技术

仿生技术将有利于未来的海军架构和作战，主要用于拒止与欺骗、移动与机动等关键领域。

拒止与欺骗。 美国对手依靠“反介入/区域拒止”战略在美军处于不利地位的地点实施打击。在世界上最重要的国际阻塞点之一——霍尔木兹海峡，伊朗一直在波斯湾地区建设海军能力，以保持对霍尔木兹海峡的控制。而在当今全球化的时代，利用开源信息就能够跟踪舰船的踪迹，可以广泛使用精确武器和人工智能瞄准目标。因此，在像霍尔木兹海峡这样狭窄环境中具备欺骗敌人的能力对美国海军的行动越来越重要。海军平台应该尽可能地模拟拒止环境以及海洋生物的表象特征，以规避探测，同时欺骗、拒止对手渗透到美国的行动中。

海军技术人员利用仿生技术研发了“幽灵泳者”无人潜航器，其外观和游动方式都像鲨鱼。然而，随着仿生学应用更加精细化、更具欺骗性， “幽灵泳者”的技术远不能满足未来作战需求。

2015年，材料科学家研发出一种电激活分子仿生材料，可自动调整适应周边环境的色调。海军可以利用该技术制造由飞机或潜艇投放发射的鱼雷或水雷，只要这些武器系统的重要组件（如引信、雷管和传感器）保持不变，涂装上“人造智能皮肤”，它们的外观、行为和移动方式就类似于海胆、海星或其他无脊椎动物。

灵活的仿生鲨鱼皮肤技术已经面世7年，移植到小型自主水下潜航器后，这些航行器就可以像鱼群一样，实现有机的水动力功能。自主水下潜航器还可以携带粘合剂，模拟乌贼手臂上的吸盘，附着在对手舰船的龙骨，在规避水下探测系统的同时还可以暗中投放深水炸弹或完成情报、监视与侦察任务。

移动与机动。 随着强大的竞争对手在高超声速武器、远程传感和卫星探测，以及下一代高端平台上的进一步发展，海军规避敌人打击、实现和保持主导优势的能力比以往任何时候都更加重要。因此，赢得未来战争可能会更多地依赖于快速和敏捷，而不是传统意义上的火力交战或大规模作战等特征。

大自然掌握着建造一支更快、更敏捷海军的一些关键技术。经过数十亿年的进化，海洋生物在深海中移动的能力远超舰船。它们可以灵活转身，向后游动，瞬间包围威胁，较舰船和潜艇消耗更少的动能。据研究表明，大多数鱼类的扑翼、鳍动力推进系统总体上比军舰上的常规螺旋桨更高效，后者会因为尾流而损失效率。太阳鱼特别灵活，旋转外鳍就能使身体水平转动，而靠近重心的鳍则直接向前推进。海洋生物学家已经确定，鳗鱼可以通过增加身体的中线弯曲度，利用行体波前后游动。章鱼的手臂也有近乎无限360度的活动范围，并且可以在其长度上的任何一点弯曲、缩短和拉长。深海将不断提供新的灵感来源，并有可能运用于未来重新设计快速武器、反制措施或军舰。

一些实验室在仿生技术方面取得了重大进展，预示着未来海军仿生军舰或潜艇技术将有巨大的飞跃。其中包括使用设计有中线的鱼状机器人，可以像鳗鱼一样弯曲，或者能够使用四关节推进机制在水中滑行，从而实现与鱼尾相同的运动。科学家们还创造了许多新材料，如新铸泡沫金属比钣金轻 70%，可弯曲，吸收能量是钢的 80 倍。

未来，这些早期技术会挑战人们对刚性船体舰队的设想。由新发现的柔性材料（如硼烯）组成的仿生海军舰队可以重现鱼尾运动，可能比旧平台设计的舰队对危险做出更快的反应。美国最先进的潜艇可能根本不依赖涡轮机，取而代之的是，由鳍动力尾翼、鳗鱼状外壳和背鳍组成的复杂组合驱动前进。

三、政策建议

为了推进仿生船体设计和建造工程尽快纳入海军架构，海军领导人将需要：

1. 发展仿生增强和平台优势战略，以满足和确保未来作战需求。

2. 将仿生学集成至原型和现有概念中，实现海军平台现代化。可以先在无人和小型平台上测试概念，随后扩展到有人驾驶的军舰。

3. 将专门研究仿生学的生物力学工程师、材料科学家和海洋生物学家纳入海军的教育系统，包括海军学院和海军研究生院，以及海军研究办公室开展的研发项目。

4. 克服海军原有根深蒂固的偏见，接受现代海军部队外观、移动或行动方式。

5. 定期与动物学家和生物动力学专家讨论新物种的发现，特别是海洋环境中的新物种，探索重新设计海军仿生平台的可能性和方法。

四、结束语

利用仿生技术将增强海军更有效和更致命的作战能力，通过密切研究和模仿自然界的构思，海军将实现更快速、更隐蔽、更机动、更高效的舰艇设计，助力海军在拒止的作战环境中更有效地打击对手。

如需转载请注明出处：“国防科技要闻”（ID：CDSTIC）

来源 | 综合网站

图片 | 互联网

作者 | 米诺

编辑 | 施法

注：原文来源网络，文中观点不代表本公众号立场，相关建议仅供参考。

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