刘锦淮:仿生传感器研究将大大丰富人类的物质世界

2011-1-06 09:13 来源: 科学时报
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  刘锦淮 博士,中科院合肥智能机械研究所研究员,博士生导师,长期以来主要从事纳米材料与器件、检测技术的研究。

  人类能否发明某种装置,像鱼儿一样敏锐感知水中的细微扰动?或者学习蝴蝶,随着空气中化学成分的变化更改翅膀的色彩?

  历经几十亿年的进化,生物界与自然的融合趋于完美。而模仿生物的特殊结构和功能,一直是人类技术思想、发明创造的源泉。作为仿生科技的重要一员,仿生传感器是基于生物学原理设计的可以感受规定待测物并按照一定规律转换及输出可用信号的器件或装置,它是一种采用新的检测原理的新型传感器,由敏感元件和转换元件组成,另外辅之以信号调整电路或电源等。

敏感机制的仿生

  仿生传感器的设计理念主要涵盖两大方面:一是敏感机制的仿生,包括敏感材料与敏感原理的仿生设计;二是传感器功能的仿生。仿生敏感材料(也被称为仿生智能材料)与仿生原理是发展仿生传感器的基石与核心,直接决定了仿生传感器技术的应用价值,该领域研究极为活跃。

  中科院院士、中科院化学所研究员江雷等通过改变碳纳米管阵列的形貌以及对碳纳米管进行修饰,可以实现对其亲水性能的调控,甚至达到如荷叶般的超疏水性。另外,他们基于仿生学原理,以高分子聚合物为温度敏感材料,通过热诱导结合表面化学修饰,实现了超双亲/超双疏功能的可逆开关。2010年,他们又在《自然》(Nature)杂志上报道了基于蜘蛛丝的内部结构及吸湿原理,设计出具有纳米孔结构的纤维,甚至实现了对湿气中水滴的直接采集。

  中科院合肥智能机械所的研究人员基于珊瑚的结构特点,通过分子化学组装方法,设计纳米颗粒组装的仿珊瑚结构半导体材料,其气体敏感性能、光电转换性能等与传统块体材料甚至常规结构纳米材料相比均获得大幅提高,可广泛应用于化学/生物传感器、染料敏化太阳能电池等诸多领域;基于人工抗体原理的分子印记仿生传感器,在爆炸物、环境污染物的检测方面也极具价值;通过对壁虎脚中吸盘微结构的分析,采用半导体微纳加工技术,制作了仿壁虎脚功能的传感器,结合相应驱动装置,可以在各种复杂表面上自由攀爬。

  另外,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学等单位也开展了大量卓有成效的工作,取得的一批成果走在了国际前沿。

传感器功能的仿生

  另一方面,模仿生物的功能,研制具有与其功能相似的传感器为人类所用,也是极具吸引力的领域。

  基于人手皮肤的触觉感应以及肌肉的伸缩原理,意大利与瑞典科学家联合研制了基于传感器阵列的仿生感应系统和由反馈信号控制的机械联动装置,可以模拟人手实现对各种复杂形貌物体的抓与放,并进行搬动。

  合肥智能机械所则采用气体传感器阵列,开发了可任意组合、结构形状不限的电子鼻探测器,可以实现易制毒化学品的现场快速检测,能检出并判定12种易制毒化学品,检测时间小于两分钟,特别适用于车站、边检口岸等场所的安检。

  近年来,模仿鱼类的仿生传感器研究成为新的热点。韩国建国大学的研究人员采用压阻执行器模拟鱼尾鳍,并通过调节执行器频率控制尾鳍的摆动速率,获得了直行速度2.5厘米/秒的机器鱼。我国哈尔滨工业大学的研究人员则采用具有形态存储功能的合金材料作为鱼鳍,研制了一种微型机器鱼,其可直行亦可绕行,直行的最大速度达到11.2厘米/秒,最小拐弯半径13.6厘米。此外,美国马萨诸塞州理工学院以及英国艾塞克斯大学的研究人员也正在开展此方向的研究。目前,机器鱼无论是直行速度还是游动灵活性方面,都日益贴近真实。

  众所周知,鱼类赖以生存的感应器官在于其侧线,探测障碍物、感应水中扰动乃至追踪定位猎物,无不依靠其侧线感应器官。侧线就像是从头到尾排列了多个传感器,探测来自不同方向的刺激,鱼类利用不同部位感受器报警的强度与时间差测定刺激的大小和方位。许多陆生生物也具有结构与功能相似的器官,比如昆虫的触角。这样看来,若能对鱼侧线的内部结构及其作用机制进行模仿,获得相似的感知功能,对于水下物体的灵敏感知与精确定位、潜艇舰船的航行与水下机器人的精确控制、动态环境的实时监控等都具有重要意义。

  在这方面,佐治亚理工学院的研究人员走在了前列,他们开发出一种基于绒毛触觉敏感的仿鱼侧线传感器,在模拟水体环境下进行测试,发现绒毛对流体扰动信号响应十分灵敏。这种新型仿生传感器甚至被美国军方寄予厚望,有望发展成为超越声呐的超灵敏、抗干扰能力强的新一代水下探测器。

  利用相似的仿生原理,荷兰科学家模仿蟋蟀的触角结构,制作了基于纳米柱阵列的仿生流体传感器,对细微扰动也表现出高的灵敏度。

未来:更微观,更小型化

  仿生传感器技术发展至今,从智能材料到传感器件构筑与应用,都达到了很高水平。当然,随着研究的不断深入以及应用领域的逐步拓展,对仿生传感器也提出了越来越苛刻的要求。

  一方面,仿生传感器日益朝着基于生物组织本身的微观结构及其作用机制模仿的方向发展;另一方面,基于某些整体装置的小型化、便携化、低碳节能化考虑,仿生传感器的微型化也成为一大挑战。

  由宏观到微观的转变,使得纳米技术这一迅速发展起来的高新技术成为最佳选择。比如美国GE公司全球研发中心即将投入开发的仿生光敏纳米传感器,即是纳米技术与仿生结合的典型例子,通过模仿蝴蝶翅膀鳞片中独特的纳米结构,以实现环境中的化学物质高灵敏光学探测。又如基于纳米压印技术发展的高分子聚合物纳米透镜阵列,可以实现昆虫复眼的多角度观察功能。

  纳米技术将是未来发展新型结构与功能仿生传感器的研究重点与热点。可以预见,基于纳米技术与仿生学原理开发的新一代纳米仿生传感器,将大大丰富人类的物质世界,使人们的生活更加便利、舒适与安全。