3D打印人工纖毛陣列: 可定制機械傳感的多功能工具

來源： i學術i科研

機械傳感器對于機器人檢測電子皮膚 (e-skin) 應用和微創(chuàng)手術中的環(huán)境刺激至關重要,，可讓機器人感知壓力、氣流,、溫度和濕度的變化，并繪制表面拓撲結構圖，對灰塵或碎屑做出快速反應,。生理纖毛結構由兩部分組成: 受力時會扭曲的毛狀結構和能檢測到這種扭曲的神經(jīng)細胞(樹突)。這種組合使纖毛結構對周圍環(huán)境中最微小的變化都異常敏感,。因此,，纖毛機械傳感器的靈活性使其具有廣泛的潛在應用，從檢測氣流,、水流到識別機器人所處環(huán)境,。目前基于人工纖毛的傳感器依賴于壓阻、電容和磁場傳感機制,。壓阻傳感是指當纖毛受到物理擾動(如空氣或液體流動的影響)而彎曲時,，基底的電導率會在壓縮或應變時發(fā)生變化。磁感應利用的是磁極化纖毛,，當纖毛彎曲時會產(chǎn)生雜散磁場,，磁感應基底可探測到雜散磁場。制作這些微型纖毛通常采用模板微型機電系統(tǒng),、自組裝,、纖毛牽引、激光燒結印刷等方法,。

在彈性體中加入纖毛狀突起可實現(xiàn)環(huán)境響應,，使傳感器能夠與周圍環(huán)境互動并導航。要提高基于電子皮膚的機械傳感器的性能,，需要考慮三個關鍵方面：i)簡單而多功能的傳感機制,；ii)可擴展性和可定制性；iii)傳感線性度。然而,，現(xiàn)有的傳感機制往往局限于特定的目標應用,，如觸覺、氣流或液體流動傳感,�,；�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構簡單等優(yōu)點,。在這種方法中,，當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，電極之間的電流就會發(fā)生變化,。這種機制實現(xiàn)了傳感器的兩種工作模式：動態(tài)模式(移動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一樣，當刺激跨越特定閾值時,，就會觸發(fā)電流從初始的“關”狀態(tài)過渡到“開”狀態(tài),。這種功能在需要精確檢測刺激超過閾值的時刻的應用中尤為有效。這種開關傳感機制的簡易性使其適用范圍超出了氣流,、液體流動和觸覺傳感等單一應用,。它可應用于生物電子學，如人工睫毛,，可同時對灰塵和氣流等機械刺激做出反應,；也可應用于液體和干燥環(huán)境中的觸覺傳感或需要動態(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)的纖毛機械傳感器具有很高的響應速度，適合廣泛的工業(yè),、環(huán)境和生物醫(yī)學應用,。盡管前景廣闊，但由于涉及復雜的傳感機制和制造方法,，開發(fā)具有多功能性,、可擴展性、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Daeha Joung教授等人采用了具有高導電性和易于制造的高縱橫比聚己內(nèi)酯/石墨烯纖毛結構來應對這些挑戰(zhàn)。針對這些三維打印結構,，提出了一種 “纖毛間接觸”傳感機制,，使傳感器的功能類似于開關，從而大大提高了靈敏度,，減少了檢測的模糊性,。纖毛結構具有很高的可定制性，包括厚度,、高度,、間距和排列,，同時保持機械堅固性。傳感器設計的簡易性使其能夠在氣流和水流監(jiān)測,、盲文檢測和碎片識別等不同應用中進行高靈敏度檢測,。總之,，所提出的基于導電纖毛的獨特傳感機制具有多項優(yōu)勢,，推動了智能機器人和人體假肢中多重傳感功能和柔性電子皮膚應用的發(fā)展。相關研究以“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.

總結與展望
作者介紹了一種以人工導電纖毛為模型的纖毛間接觸機械傳感機制,。該機制使用石墨烯-PCL 納米復合墨水，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電特性來檢測各種刺激,。有限元分析與實驗結果一起用于描述纖毛在施加線性壓力和外部點力時的物理彎曲特性。再現(xiàn)性測試表明,，纖毛的結構和響應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°后也能恢復到未彎曲時的原始位置，在空氣和水中都能承受較高的流速(分別達到 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)負荷下保持穩(wěn)定的性能。這種機制的主要優(yōu)勢在于其可擴展性,、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械傳感纖毛傳感器。這種機制中的可彎曲導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到區(qū)分這兩種狀態(tài)的任何刺激，包括表面拓撲結構的變化,、氣流,、水流、兩個表面相對運動等,。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展性。

未來,，3D打印技術可用于為該項目定制病人專用的設計,，從而實現(xiàn)個性化醫(yī)療和監(jiān)測�,；�于纖毛的傳感器可以動態(tài),、準確地讀取盲文，這對于視障人士或機器人技術來說非常寶貴。此外,，植入式纖毛睫毛能檢測并觸發(fā)碎片清除,，可為脫發(fā)患者提供有效的治療，或為敏感的相機鏡頭提供機器人保護,。最終,，這種基于纖毛的傳感機制為 3D 打印的下一代機械傳感提供了眾多機會，適用于從環(huán)境研究到汽車工業(yè),、醫(yī)療康復和工業(yè)維護等廣泛領域,。

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