中科院寧波材料所開發出基于微彈簧效應的高效氣流傳感系統

自然界中，生物體擁有復雜的感官系統，可對機械、溫度、濕度和其他不易察覺的外部刺激(如氣味、光線、聲音、微風等)做出反應，有效地感知環境信息。其中，氣流感知功能是生物的感覺系統的重要組成部分，可在不確定的環境中(如黑暗、嘈雜等)對非接觸刺激做出有效反應，以應對不可察覺的危險。實際應用中，氣流感知在呼吸監測、飛機飛行控制、天氣觀測、煤礦預警等方面應用廣泛，因而需要實現敏感而迅速的氣流感知。近年來，人們為開發氣流傳感器做出了努力，基于機械形變機理的氣流傳感器因其優異的柔性和靈敏響應性而引起關注。然而，以一種簡單、可控的策略制造具有高靈敏度和自適應性的氣流傳感器仍是挑戰。

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳濤、副研究員肖鵬，基于在碳基/高分子復合薄膜的構筑及其柔性傳感器方面的研究基礎(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)，受到蝙蝠翼膜優異的氣流感知能力啟發，開發出一種基于微彈簧效應的高效氣流傳感系統。

該研究采用界面自組裝和原位功能化手段，在水/空氣界面構筑了石墨烯/單壁碳納米管(SWNTs)-Ecoflex復合薄膜(GSEM)。由于石墨烯和碳納米管雜化形成特殊的微彈簧結構，導致在氣流刺激下接觸電阻急劇變化，賦予該氣流傳感器優異的傳感性能，包括超低的流速檢測下限(0.0176 ms-1)、快速響應時間(≈1.04 s)和恢復時間(≈1.28 s)。基于GSEM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)，表現出穩定相似的氣流傳感性能，并展示出優異的自適應性。作為概念驗證，該氣流傳感器可用于實現非接觸操縱。它可應用于智能窗戶系統，實現流速閾值控制的窗戶智能開關行為。此外，科研人員設計了一個氣流傳感器陣列用來區分所施加的氣流刺激大小和空間分布，基于GSEM的氣流傳感器被進一步集成到一個無線小車系統中并能夠靈敏地捕獲氣流流速信息，實現小車運動方向的實時操縱。未來，基于微彈簧效應的氣流傳感系統，有望在可穿戴電子設備和非接觸式智能操縱領域獲得應用。

相關研究成果以Bionic Adaptive Thin-Membranes Sensory System Based on Microspring Effect for High-Sensitive Airflow Perception and Noncontact Manipulation為題，發表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、國家自然科學基金中德交流項目、中科院前沿科學重點研究計劃、中科院國際合作局及王寬誠國際交叉團隊等的資助。