生物启发的双模机械传感器——智能控制的实时、可视化信息显示

研究背景

生物系统中的一些物种独特地结合了体感感受器和视觉反应器在复杂的信号转导事件的基础上具有耐人寻味的视觉反馈功能。例如，甲藻在对水流干扰的反应中产生显著的蓝色闪光，这是由于连续的信号转导事件，包括动作电位变化、质子跨膜迁移和荧光素的释放。在神经元电位的控制下，头足类动物的皮肤随着环境的变化表现出可调节的颜色图案。令人且生物体的这些信号转导被低至~Pa 至~kPa 的刺激激活，并在瞬间完成，实现了实时和高度敏感的机械感知。模仿生物机械感应的视觉反馈已经引起了相当大的兴趣，促进了智能传感器和光学 DIS 的发展。然而，在人工传感器中模仿超灵敏的生物感应以提供实时和模式化的视觉信息仍然是一个挑战。

机械发光(ML)是指材料对机械刺激的光子发射过程，最近被引入各种传感器，以模拟生物体的视觉反馈。然而，由于存在应力闻值高(通常超过 1 N)、强度弱、灵敏度不足等缺陷，大多数由无机荧光粉 (如Zns: Cu 和 SrAl2O4: Eu2+)组成的 ML 传感器至今难以实现实时和高分辨率成像。为了应对这一挑战，人们在提高机械感应性能方面做出了巨大努力，如合成新的高效ML荧光粉，掺杂纳米粒子(如SiO2、AI2O3、In2O3和ZrO2) 以集中应力， 并优化 ML 传感器的结构。此外，应用成像后处理技术可以弥补 ML 输出的。尽管在图案显示方面有进展的迹象但在没有跟踪软件的帮助下，很少实现实时视觉读出。

与单一模式的光学传感相比，双模感知的整合是有意义的，它可能提高了机械传感器的灵敏度和检测范围，减少了对图像后处理技术的依赖。最近的研究进一步推进了，并提出了通过将 ML 与摩擦纳米发电机(TENG) 相结合的自供电双模传感器，如用于生理信号监测的可穿戴发光TENG 织物。到目前为止，虽然电信号和亮光信号的同步输出以及自供电传感的优势，大多数双模机械传感器是两种感觉函数的简单叠加。很少探讨光学和电学传感机制的协同效应来优化输出信号。因此，从基本的传感机制方面来看，要实现像甲藻类那样具有高空间和时间分辨率的实时和视觉感知(仅达到几Pa)，还有很长的路要走。

研究成果

长期以来，人们一直设想通过模仿生物体的机械感应发光来实现动态和实时的可视化信息显示，然而，在人工传感器中重现类似皮肤的视觉感受功能仍然是一个挑战。在此，四川大学张新星教授团队提出了一个生物启发的机械传感器，它具有机械发光/摩擦电的层次结构，能够实时感知压力和显示图案。发现界面摩擦电场对发光输出和压力可视化有促进作用。所开发的机械传感器显示了自供电、双模式和实时图案感觉行为，具有低力检测极限 (0.082 N)、高灵敏度 (9.69 a.u.N-1)、快速响应 (35 ms) 和良好的可靠性 (5000 次)。在此基础上，通过结合图像机器学习方法进一步构建了一个智能控制系统。该研究不仅解决了实时压力可视化显示的长期挑战，而且推动了无绳、小型、高效智能系统的进一步发展。相关研究以“Bioinspired Bimodal Mechanosensors with Real-Time, Visualized Information Display for Intelligent Control”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Illustration of the working principle and potential application of the self-powered bimodal mechanosensor.

Figure 2. ML output performance of the mechanosensor.

Figure 3. Electrical output performance of the self-powered mechanosensor.

Figure 4. Exploration synergistic modulation of dual outputs.

Figure 5. A mechanosensor-based E-skin for HMI and robotic remote control.

总结与展望

综上所述，作者展示了一个具有实时和可视化信息显示的生物启发的双模机械传感器。表层电荷极化和摩擦电迁移被发现是摩擦电-光能转换和 ML输出增强的起始点。提出了一种有效的电/光双输出调制方法，使机械传感和成像特性得到了精细的调整。该机械传感器显示了高机械灵敏度、低检测限、实时压力模式和良好的可靠性的卓越集成，使其非常适用于人类生理活动监测和远程机器人控制。摩擦电和 ML的集成和调制策略将使无绳的、智能的、可视化的机械传感器成为可能，促进人与机器人的合作，加快机器人在传感、医疗和家庭服务方面的应用。

文献链接

Bioinspired Bimodal Mechanosensors with Real-Time, Visualized Information Display for Intelligent Control

https://doi.org/10.1002/adfm.202300321.

转自：“i学术i科研”微信公众号

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