如今，各式各样的传感器被广泛应用于生活中的各个领域，尤其是可感知微小机械信号并易于适应许多不规则表面的柔性应变传感器，其对于人、机器或建筑物的健康监测、早期检测和故障预防具有重要的价值。在实际应用中，非常需要对来自各个方向细微和异常的振动进行检测，初步判断它们的方向以消除潜在危险。然而，由于材料各向异性的机械/电学特性和微/纳米结构，柔性应变传感器很难同时实现超灵敏度和全方位传感。

吉林大学韩志武教授、牛士超教授，美国宾夕法尼亚大学杨澍教授等人受到了视力退化的蝎子使用带有扇形凹槽的狭缝感应器官在空间上全方位地检测微妙振动的启发，设计了一种仿生柔性应变传感器。该传感器由围绕中心圆排列的弯曲微槽组成，具有超过18000的前所未有的应变系数以及超过7000次循环的稳定性。无论传感器安装角度如何，它都可以感知和识别不同位置的不同输入波形的振动、自由落体珠子的弹跳以及人类的手腕脉搏。此几何设计可以转化为其他材料系统，用于包括人体健康监测和工程故障检测在内的潜在应用。该研究以题为“Bioinspired, Omnidirectional and Hypersensitive Flexible Strain Sensors”的论文发表在《 Advanced Materials》上。

【传感器的仿生设计】

随着视力的消退，蝎子能在腿上进化出一种非常强大的振动感觉器官，称为狭缝感应器。作者首先研究了蝎子的狭缝感应器，发现每个狭缝感应器上有12条弯曲狭缝，呈扇形排列。当每条曲线变成一个又长又深又窄的弧形狭缝，并且所有狭缝都以扇形方式排列时，一些狭缝的片段可以响应全方位施加的振动刺激。为了构建仿生应变传感器，作者建立了具有弯曲狭缝的有限元模型，当凹槽排列成围绕中心圆的环形阵列时，可以观察到全方位的变形。作者通过切割PET薄膜制造了具有24个弯曲凹槽的仿生应变传感器。切割图案被转移到PDMS弹性体上，然后在顶部溅射银纳米颗粒，并将铜线/铜浆作为电极连接。所制成的柔性传感器可以舒适地包裹在塑料瓶和志愿者的手腕上。

图1蝎子超灵敏全方位振动感应功能示意图

图2仿生柔性应变传感器的结构设计

【应变传感器的传感性能】

为了展示传感器的超灵敏性和多功能性，作者定制了一个步进电机系统作为应变施加器，并进行电气测量以获得应变与传感器相对电阻的变化关系。结果表明，该传感器在0-0.46%应变范围内的应变系数超过1400，在0.46-0.65%应变范围内的应变系数超过18000。与其他应变传感器相比，仿生应变传感器表现出更优异的应变系数，尤其是在细微应变下。作者通过从传感器上8 cm的高度将一个小球形颗粒（0.03 g）滴入注射器管中来进行敲击实验。结果证实，无论方向如何，传感器都对细微振动具有高度响应性。此外，该传感器非常耐用，即使在3.443 Hz的频率和0.20%的应变下进行7000多次拉伸/释放循环，其响应信号也没有明显下降。

图3仿生应变传感器的传感性能

【全方位应变传感器的应用演示】

卓越的灵敏度和全方位传感对于监测桥梁和建筑物等结构部件的振动非常有吸引力。为了验证仿生传感器的实际应用，作者使用了四种类型的输入振动波形，传感器在方波振动中可以检测到的最小振幅为5 μm，表明其超敏感性。然后作者通过落珠实验和手腕脉搏实验证实了传感器对来自不同方向外力的响应，表明其全方位传感能力。模仿蝎子腿上分布着八个狭缝感应器，作者设计了一个类似的传感器阵列。由于距离振动源最近的传感器总是最先响应，因此可以推测振动源的角度方向。结果表明，传感器的计算角度偏差范围仅有2.4到7.8°。因此，该仿生应变传感器阵列具有方向感测能力，这对于实际工程应用具有重要意义。

图4仿生应变传感器的全方位传感

总结：作者揭示了弯曲狭缝及其扇形排列对于蝎子高灵敏度感知任何方向的振动至关重要，并以此设计了一种受生物启发的柔性应变传感器。该应变传感器在0-0.46%和0.46%-0.65%的应变范围内分别表现出超过1400和18000的应变系数。它还可以感知各个方向的振动，这在实际应用中至关重要。该概念可应用于不同的材料和任何基材，为未来现场定向振动的准确识别和快速定位铺平道路。