壓阻式氣流傳感器因其制備簡(jiǎn)單、信號(hào)易獲取和高靈敏響應(yīng)性，引起了人們極大的研究興趣并廣泛應(yīng)用于航空航天、氣候預(yù)報(bào)、生物醫(yī)學(xué)工程、礦產(chǎn)勘測(cè)和可穿戴監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。目前，科研人員在提高壓阻式氣流傳感性能方面付出了巨大的努力，通過(guò)設(shè)計(jì)各種各樣的微觀或宏觀結(jié)構(gòu)以降低檢測(cè)下限和/或擴(kuò)大氣流傳感器的傳感范圍。然而，在超低檢測(cè)限和超寬傳感性能之間存在顯著的權(quán)衡，這是由于在氣流加載期間，活性材料之間的電接觸易于飽和所致。因此，迫切需要開發(fā)一種高效的替代策略來(lái)平衡這兩種性能，從而促進(jìn)高性能壓阻式氣流傳感器的開發(fā)。
近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員和肖鵬副研究員基于在碳基/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)，受自然蜘蛛網(wǎng)徑線感應(yīng)氣流能力的啟發(fā)，通過(guò)碳基雜化材料和自支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有超低氣流檢測(cè)下限和超寬感應(yīng)范圍的氣流傳感器。
蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的高性能壓阻式氣流傳感器的構(gòu)筑及基本性能表征
在該工作中，作者采用界面自組裝和原位復(fù)合策略，構(gòu)筑了基于石墨烯/碳球雜化感應(yīng)層的彈性非對(duì)稱薄膜，并將其設(shè)計(jì)成自支撐構(gòu)型，以實(shí)現(xiàn)高性能氣流傳感器的構(gòu)建。其中，自支撐結(jié)構(gòu)賦予該薄膜靈敏捕捉氣流擾動(dòng)的能力，并以不同程度的形變響應(yīng)氣流刺激。值得注意的是，該自支撐薄膜在不同強(qiáng)度的氣流作用下表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的感應(yīng)機(jī)制。當(dāng)小氣流作用時(shí)，縱向壓縮增加了雜化體系中石墨烯片層間的電接觸并表現(xiàn)出正電流變化。隨著氣流增加，橫向拉伸效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，材料內(nèi)部導(dǎo)電通路被破壞，表現(xiàn)出負(fù)電流響應(yīng)行為。正是由于材料內(nèi)部存在動(dòng)態(tài)應(yīng)變競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，該傳感器能感知低至0.0087 m s-1的極其微弱氣流，同時(shí)能檢測(cè)高達(dá)23 m s-1的大氣流刺激。不僅如此，自支撐結(jié)構(gòu)使其能夠以低至0.1 s的時(shí)間快速響應(yīng)氣流刺激，并能監(jiān)測(cè)高達(dá)1150次的循環(huán)氣流刺激，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。基于該傳感器出色的氣流響應(yīng)能力，開發(fā)了先進(jìn)的智能蜘蛛網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣流刺激方向、位置和強(qiáng)弱的實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù)警，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)非接觸式控制虛擬蜘蛛的運(yùn)動(dòng)行為，為開發(fā)用于智能仿生系統(tǒng)和高效人機(jī)交互的高性能氣流傳感系統(tǒng)開辟了一條新途徑。
該工作以題為“Dynamic Competitive Strains Enabled Self-Supporting Janus Nanostructured Films for High-Performance Airflow Perception”的論文發(fā)表在Mater. Horizons, 2023,doi.org/10.1039/D2MH01482C。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52073295）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2023313）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFC2805204、2022YFC2805202）、國(guó)家自然科學(xué)基金委中德交流項(xiàng)目（M-0424）、浙江實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目（No.2022MG0AB01）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局（174433KYSB20170061）及王寬誠(chéng)國(guó)際交叉團(tuán)隊(duì)（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的資助。
