中北大学电子测试与测量技术重点实验室打造柔性仿生触须传感器

仿生触须传感器因其能够感知微小压力变化的能力，在避障、人机接口和软体机器人等领域发挥着重要作用。但传统触须传感器大多基于刚性基板，难以检测来自外部环境的多方向力，从而限制了其在复杂环境中的应用。因此，开发一种具有高灵敏度、低检测限且能够识别外力方向的柔性仿生触须传感器显得尤为重要。

近日中北大学电子测试与测量技术重点实验室与中北大学软件学院共同研发了一种新型的高灵敏度柔性仿生触须传感器（FBTS），该传感器在多维力传感、自主避障以及触觉感知等方面性能表现突出。目前该研究成果已发表在《微系统与纳米工程》杂志上。

▍FBTS传感器设计与原理：

FBTS传感器由柔性腔体基板、柔性PI交叉梁膜、MWCNT敏感层和尼龙纤毛组成。MWCNTs通过高剪切分散工艺制备，有效提高了传感层中力-电耦合的效率，使得传感器能够在柔性贴合条件下检测低应变。此外，传感器还采用了独特的须状信号放大器和交叉梁结构，进一步提升了其灵敏度和检测精度。

基于横梁结构的柔性触须传感器的工作原理

FBTS传感器的工作原理受到兔子触须的启发。当外部力作用于触须时，触须发生形变并刺激神经细胞突触产生响应，将机械信号转化为电信号。类似地，FBTS传感器通过尼龙纤毛捕捉和放大外部刺激，然后将机械刺激传递到交叉梁底部，导致交叉梁上的传感材料发生形变并产生电信号。传感器内部的导电网络在形变过程中发生变化，从而改变电阻值，实现对外部力的检测。

▍FBTS传感器材料设计与方法：

在设计FBTS传感器的时候，研究团队首先选用了多壁碳纳米管（MWCNTs）作为敏感材料，通过高剪切分散工艺制备了均匀的MWCNT分散液。接着，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为柔性基板材料，通过混合、脱泡、浇注和固化等步骤制备了具有低杨氏模量和优异柔韧性的柔性基板。

随后，研究团队在聚酰亚胺（PI）基板上溅射铜膜并光刻出导电图案，再喷涂MWCNT分散液并干燥固化，形成了PI/MWCNT（PMC）膜。最后一步，将尼龙纤毛作为信号放大器插入PI中心，并使用UV固化胶粘合，完成了传感器的封装。

▍FBTS柔性仿生触须传感器性能表征与测量：

研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）对传感器的形貌结构进行了详细观察。SEM图像显示，MWCNT敏感层均匀分布在PI基板上，尼龙纤毛与交叉梁膜紧密结合，形成了完整的传感结构。此外，X射线衍射（XRD）和X射线能谱（EDS）分析进一步证实了MWCNTs的高结晶度和高纯度，为传感器的优异性能提供了材料基础。

FBTS 多维力的模拟结果

为了验证传感器电流变化数据，研究团队使用源表对传感器的电流变化进行了测量。在定量测量过程中，FBTS传感器被固定在线性电机上，通过数字测力计施加不同方向的外力。随着外力的变化，传感器的电阻也随之改变，从而实现了对外力的精确感知。

实验结果表明，传感器在0-25mN范围内表现出超高的灵敏度（37.6N^-1），在60-160mN范围内仍能保持较高的灵敏度（-0.47N^-1），且具有良好的线性度（R^2=0.98）。此外，传感器的检测限低至2.4mN，能够检测到极其微弱的外力变化。

FBTS的传感性能

此外研究团队还进行了循环稳定性测试。在超过5000次循环测试后，传感器的信号仍然保持稳定，表明其具有良好的耐久性和可靠性。此外，研究团队还通过有限元分析模拟了传感器的传感机制，深入理解了其在外力作用下的变形过程和应力分布。

力传感器的多通道输出对不同机械方向的力的感应性能

除了基本的力学性能测试外，研究团队还探索了FBTS传感器在表面纹理识别和气流检测等应用中的表现。实验结果表明，传感器能够准确识别不同表面纹理的物体，并实时监测气流速度。

▍FBTS传感器在实际应用场景下的初步探索：

在实际场景下，研究人员对FBTS传感器进行了表面纹理识别、气流检测、自主避障等方向进行测试。在表面纹理识别方面，工作人员通过3D打印技术制作了具有不同表面纹理的平板，并利用FBTS传感器对它们进行了识别测试。实际数据显示，传感器能够准确区分平滑表面、三角形凹槽表面和矩形凹槽表面。

传感器对纹理粗糙度和气体流量的感应性能

在气流检测方面，研究团队测试了传感器对不同风速的响应，发现其能够实时检测并准确识别风速变化。这一特性使得FBTS传感器在环境监测、气体流动控制和空气质量监测等领域具有广阔的应用前景。

基于FBTS和传感数据可视化的避障仿生鼠

值得一提的是，FBTS传感器在自主避障应用中的表现出色。研究团队将传感器安装在仿生鼠的头部，通过采集和分析传感器信号，成功实现了仿生鼠的自主避障功能。在迷宫测试中，仿生鼠能够准确识别障碍物并自主规划路径，顺利穿越迷宫。

此外，FBTS传感器的高灵敏度和低检测限使其能够感知到极其微弱的外力变化，这对于需要高精度触觉反馈的应用场景尤为重要。例如，在人机交互、医疗康复和虚拟现实等领域，FBTS传感器能够提供更加真实和细腻的触觉体验，提升用户体验和互动性。

▍结语与未来：

中北大学电子测试与测量技术重点实验室与中北大学软件学院联合研发的FBTS传感器为柔性传感器提供了全新的设计思路，但团队也表示，目前FBTS传感器的结构依旧不稳定，后续如何提升FBTS传感器的耐用性以及降低制造成本是团队后续需要继续努力的方向，团队希望能够在未来提升耐用性降低成本，早日推动FBTS传感器的实用化和商业化进程。