中科院寧波材料所開發(fā)出基于微彈簧效應(yīng)的高效氣流傳感系統(tǒng)

自然界中，生物體擁有復(fù)雜的感官系統(tǒng)，可對(duì)機(jī)械、溫度、濕度和其他不易察覺的外部刺激(如氣味、光線、聲音、微風(fēng)等)做出反應(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系統(tǒng)的重要組成部分，可在不確定的環(huán)境中(如黑暗、嘈雜等)對(duì)非接觸刺激做出有效反應(yīng)，以應(yīng)對(duì)不可察覺的危險(xiǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，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)警等方面應(yīng)用廣泛，因而需要實(shí)現(xiàn)敏感而迅速的氣流感知。近年來，人們?yōu)殚_發(fā)氣流傳感器做出了努力，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)性的氣流傳感器仍是挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員陳濤、副研究員肖鵬，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)(Chemistry of Materials, 2016, 28, 7125;ACS Nano, 2019, 13, 4368;Nano Energy, 2019, 59, 422;Nature Communications, 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)出一種基于微彈簧效應(yīng)的高效氣流傳感系統(tǒng)。

該研究采用界面自組裝和原位功能化手段，在水/空氣界面構(gòu)筑了石墨烯/單壁碳納米管(SWNTs)-Ecoflex復(fù)合薄膜(GSEM)。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)，表現(xiàn)出穩(wěn)定相似的氣流傳感性能，并展示出優(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，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)域獲得應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以Bionic Adaptive Thin-Membranes Sensory System Based on Microspring Effect for High-Sensitive Airflow Perception and Noncontact Manipulation為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金中德交流項(xiàng)目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、中科院國際合作局及王寬誠國際交叉團(tuán)隊(duì)等的資助。