3D打印人工纖毛陣列: 可定制機(jī)械傳感的多功能工具

來源： i學(xué)術(shù)i科研

機(jī)械傳感器對(duì)于機(jī)器人檢測(cè)電子皮膚 (e-skin) 應(yīng)用和微創(chuàng)手術(shù)中的環(huán)境刺激至關(guān)重要，可讓機(jī)器人感知壓力、氣流、溫度和濕度的變化，并繪制表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，對(duì)灰塵或碎屑做出快速反應(yīng)。生理纖毛結(jié)構(gòu)由兩部分組成: 受力時(shí)會(huì)扭曲的毛狀結(jié)構(gòu)和能檢測(cè)到這種扭曲的神經(jīng)細(xì)胞(樹突)。這種組合使纖毛結(jié)構(gòu)對(duì)周圍環(huán)境中最微小的變化都異常敏感。因此，纖毛機(jī)械傳感器的靈活性使其具有廣泛的潛在應(yīng)用，從檢測(cè)氣流、水流到識(shí)別機(jī)器人所處環(huán)境。目前基于人工纖毛的傳感器依賴于壓阻、電容和磁場(chǎng)傳感機(jī)制。壓阻傳感是指當(dāng)纖毛受到物理擾動(dòng)(如空氣或液體流動(dòng)的影響)而彎曲時(shí)，基底的電導(dǎo)率會(huì)在壓縮或應(yīng)變時(shí)發(fā)生變化。磁感應(yīng)利用的是磁極化纖毛，當(dāng)纖毛彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)，磁感應(yīng)基底可探測(cè)到雜散磁場(chǎng)。制作這些微型纖毛通常采用模板微型機(jī)電系統(tǒng)、自組裝、纖毛牽引、激光燒結(jié)印刷等方法。

在彈性體中加入纖毛狀突起可實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)，使傳感器能夠與周圍環(huán)境互動(dòng)并導(dǎo)航。要提高基于電子皮膚的機(jī)械傳感器的性能，需要考慮三個(gè)關(guān)鍵方面：i)簡(jiǎn)單而多功能的傳感機(jī)制；ii)可擴(kuò)展性和可定制性；iii)傳感線性度。然而，現(xiàn)有的傳感機(jī)制往往局限于特定的目標(biāo)應(yīng)用，如觸覺、氣流或液體流動(dòng)傳感�；�于接觸電阻的傳感方法具有多功能傳感、工作電壓低和器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在這種方法中，當(dāng)連接到源電極的纖毛受到刺激而彎曲并與連接到漏電極的纖毛接觸時(shí)，電極之間的電流就會(huì)發(fā)生變化。這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)了傳感器的兩種工作模式：動(dòng)態(tài)模式(移動(dòng)的纖毛與靜止的基底相互作用)和靜態(tài)模式(外部因素使靜止的纖毛發(fā)生偏轉(zhuǎn))。這種纖毛間接觸方法就像開關(guān)一樣，當(dāng)刺激跨越特定閾值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)電流從初始的“關(guān)”狀態(tài)過渡到“開”狀態(tài)。這種功能在需要精確檢測(cè)刺激超過閾值的時(shí)刻的應(yīng)用中尤為有效。這種開關(guān)傳感機(jī)制的簡(jiǎn)易性使其適用范圍超出了氣流、液體流動(dòng)和觸覺傳感等單一應(yīng)用。它可應(yīng)用于生物電子學(xué)，如人工睫毛，可同時(shí)對(duì)灰塵和氣流等機(jī)械刺激做出反應(yīng)；也可應(yīng)用于液體和干燥環(huán)境中的觸覺傳感或需要?jiǎng)討B(tài)傳感來探索空間，靜態(tài)傳感來感知附近的刺激。

研究成果
基于生物啟發(fā)的纖毛機(jī)械傳感器具有很高的響應(yīng)速度，適合廣泛的工業(yè)、環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。盡管前景廣闊，但由于涉及復(fù)雜的傳感機(jī)制和制造方法，開發(fā)具有多功能性、可擴(kuò)展性、可定制性和傳感線性度的傳感器仍面臨挑戰(zhàn)。為此，美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)Daeha Joung教授等人采用了具有高導(dǎo)電性和易于制造的高縱橫比聚己內(nèi)酯/石墨烯纖毛結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。針對(duì)這些三維打印結(jié)構(gòu)，提出了一種 “纖毛間接觸”傳感機(jī)制，使傳感器的功能類似于開關(guān)，從而大大提高了靈敏度，減少了檢測(cè)的模糊性。纖毛結(jié)構(gòu)具有很高的可定制性，包括厚度、高度、間距和排列，同時(shí)保持機(jī)械堅(jiān)固性。傳感器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性使其能夠在氣流和水流監(jiān)測(cè)、盲文檢測(cè)和碎片識(shí)別等不同應(yīng)用中進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)�？傊�，所提出的基于導(dǎo)電纖毛的獨(dú)特傳感機(jī)制具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了智能機(jī)器人和人體假肢中多重傳感功能和柔性電子皮膚應(yīng)用的發(fā)展。相關(guān)研究以“3D-Printed Artificial Cilia Arrays: A Versatile Tool for Customizable Mechanosensing”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

圖文導(dǎo)讀

Scheme 1. Schematic of printing scheme and sensing mechanism.

Figure 1. a) Using rheology, the viscosity of four PCL composites was measured during the curing process. These composites exhibit a nearly linear increase of viscosity followed by an asymptotic plateau when the curing process is complete. The curing time and the corresponding viscosity increase with PCL concentration. b) Conductivity and Young’s modulus are seen to increase with increasing graphene concentration, showing the composites become more rigid and more conductive. c) Contact angle of PCL (0% graphene concentration), PCLG1 (3.5%), PCLG2 (6.5%), PCLG3 (8.5%), PCLG4(10.5%). The wettability of the cilia in a sensor can be tuned with graphene concentration for applications in water or humid environments. d) SEM images of PCLG composites. The surface roughness increases markedly with increasing graphene concentration, and the general cylindrical shape is retained best in concentrations with higher graphene volume fractions.

Figure 2. Cilia and sensor characterization.

Figure 3. Euler–Bernoulli beam theory analysis for cilia bending.

Figure 4. Dynamic sensing applications.

Figure 5. Static sensing applications.

總結(jié)與展望
作者介紹了一種以人工導(dǎo)電纖毛為模型的纖毛間接觸機(jī)械傳感機(jī)制。該機(jī)制使用石墨烯-PCL 納米復(fù)合墨水，通過擠壓法將墨水3D打印成高縱橫比纖毛陣列，并利用這些陣列的響應(yīng)電特性來檢測(cè)各種刺激。有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一起用于描述纖毛在施加線性壓力和外部點(diǎn)力時(shí)的物理彎曲特性。再現(xiàn)性測(cè)試表明，纖毛的結(jié)構(gòu)和響應(yīng)性具有高度的一致性和耐久性纖毛表現(xiàn)出極佳的韌性，即使彎曲 30°后也能恢復(fù)到未彎曲時(shí)的原始位置，在空氣和水中都能承受較高的流速(分別達(dá)到 57 ms-1 和240 mms-1)，表現(xiàn)出抗水性腐蝕的能力，并在多次循環(huán)負(fù)荷下保持穩(wěn)定的性能。這種機(jī)制的主要優(yōu)勢(shì)在于其可擴(kuò)展性、可定制性和多功能性，這使其有別于其他基于磁性或壓電性的機(jī)械傳感纖毛傳感器。這種機(jī)制中的可彎曲導(dǎo)電纖毛可處于兩種狀態(tài): 接觸和分離。因此，纖毛傳感器可以檢測(cè)到區(qū)分這兩種狀態(tài)的任何刺激，包括表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化、氣流、水流、兩個(gè)表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)等。與專門的壓力或氣流傳感器相比，這種多功能性具有成本效益和可擴(kuò)展性。

未來，3D打印技術(shù)可用于為該項(xiàng)目定制病人專用的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療和監(jiān)測(cè)�；�于纖毛的傳感器可以動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確地讀取盲文，這對(duì)于視障人士或機(jī)器人技術(shù)來說非常寶貴。此外，植入式纖毛睫毛能檢測(cè)并觸發(fā)碎片清除，可為脫發(fā)患者提供有效的治療，或?yàn)槊舾械南鄼C(jī)鏡頭提供機(jī)器人保護(hù)。最終，這種基于纖毛的傳感機(jī)制為 3D 打印的下一代機(jī)械傳感提供了眾多機(jī)會(huì)，適用于從環(huán)境研究到汽車工業(yè)、醫(yī)療康復(fù)和工業(yè)維護(hù)等廣泛領(lǐng)域。

文獻(xiàn)鏈接
3D-Printed Artificial Cilia Arrays: A Versatile Tool for Customizable Mechanosensing
https://doi.org/10.1002/advs.202303164