基於PμSL 3D打印技術(shu)制(zhi)備的(de)波形人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)用於不(bu)同(tong)流體分(fen)析(xi)

近(jin)年(nian)來(lai)，隨著(zhe)無(wu)人水下(xia)航(hang)行器(qi)和軟(ruan)體機(ji)器(qi)人的(de)發(fa)展(zhan)，微(wei)型(xing)柔性(xing)流量(liang)傳感(gan)器(qi)已(yi)經(jing)成(cheng)為姿態(tai)控制(zhi)和(he)流場分(fen)析(xi)的(de)關鍵(jian)器(qi)件(jian)。目(mu)前(qian)，仿生(sheng)毛發(fa)流量(liang)傳感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)感(gan)多(duo)來(lai)自昆(kun)蟲的(de)觸(chu)角(jiao)、海(hai)豹(bao)的(de)觸(chu)須(xu)。其(qi)中(zhong)，仿生(sheng)毛發(fa)流量(liang)傳感(gan)器(qi)通常(chang)采(cai)用圓柱(zhu)形結(jie)構(gou)，但是該(gai)類(lei)型的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)會產生(sheng)渦(wo)激(ji)振(zhen)動(dong)，這(zhe)種渦(wo)激(ji)振(zhen)動(dong)會(hui)引發(fa)很大(da)的(de)噪(zao)音(yin)，並(bing)惡化(hua)流量(liang)傳感(gan)器(qi)的(de)信(xin)噪(zao)比(bi)。海(hai)豹(bao)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)觸(chu)須(xu)識(shi)別、定(ding)位(wei)和追(zhui)蹤獵(lie)物(wu)。這(zhe)種(zhong)波形觸(chu)須(xu)可(ke)以(yi)抑(yi)制(zhi)渦(wo)激(ji)振(zhen)動(dong)的(de)產(chan)生(sheng)、降低(di)渦(wo)激(ji)振(zhen)動(dong)引發(fa)的(de)噪(zao)音(yin)。研究(jiu)學(xue)者受海(hai)豹(bao)觸(chu)須(xu)形態(tai)的(de)啟(qi)發(fa)制備了多(duo)種人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)。然而，這些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)通常(chang)體積(ji)龐(pang)大、組裝起來(lai)較(jiao)為繁(fan)瑣(suo)。因(yin)此(ci)，使用簡單(dan)的(de)制(zhi)備工藝(yi)並(bing)優(you)化(hua)傳感(gan)器(qi)的(de)結(jie)構(gou)以(yi)提高其(qi)靈(ling)敏(min)度(du)、使其(qi)微(wei)型(xing)化(hua)具有重要(yao)的(de)意義(yi)。

近日(ri)，北京(jing)航(hang)空航(hang)天大學(xue)蔣永剛(gang)課(ke)題組基於面投(tou)影(ying)微立(li)體光(guang)刻(PμSL) 3D打印技術(shu)結(jie)合PDMS澆(jiao)鑄(zhu)工藝制備了波形人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)，該傳感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)用於不(bu)同(tong)流體的(de)分(fen)析(xi)。人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)由仿生(sheng)觸(chu)須(xu)和(he)帶有壓(ya)阻傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)PDMS基座(zuo)組成(cheng)；PDMS基座(zuo)上(shang)集(ji)成(cheng)有4個微(wei)通(tong)道(dao)，並(bing)采用定向(xiang)液(ye)體擴散(DSL)方法將(jiang)碳納(na)米(mi)管/銀(yin)納(na)米(mi)顆(ke)粒(li)(CNT/AgNPs)墨(mo)水(shui)註(zhu)入(ru)微通(tong)道(dao)中(zhong)，以(yi)形成(cheng)壓(ya)阻傳(chuan)感(gan)器(qi)。研究(jiu)人員基於PμSL (nanoArch S140，摩方精(jing)密(mi)) 3D打印技術(shu)制(zhi)備了仿生(sheng)觸(chu)須(xu)和(he)兩(liang)個用於制(zhi)備PDMS基座(zuo)的(de)模(mo)具。仿生(sheng)觸(chu)須(xu)長35mm，表(biao)面呈現(xian)波浪(lang)形，截(jie)面呈現(xian)橢(tuo)圓(yuan)形，幾何結(jie)構(gou)呈現(xian)非(fei)對稱性(xing)；打印模(mo)具的(de)鏈狀凸(tu)臺(tai)結(jie)構(gou)寬(kuan)度(du)為200μm，高度(du)為80μm，其(qi)中(zhong)，凸(tu)臺(tai)上(shang)對稱菱形組成(cheng)的(de)結(jie)構(gou)高(gao)度(du)為30μm。

圖1. 人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)結(jie)構(gou)示(shi)意圖(tu)

圖2. 人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)制(zhi)備。其(qi)中(zhong)，a圖是基於PμSL技術(shu)制(zhi)備的(de)仿生(sheng)觸(chu)須(xu)和(he)兩(liang)個模(mo)具

圖(tu)3. 穩(wen)態(tai)流場中(zhong)人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)不(bu)同(tong)流速(su)下(xia)的(de)響(xiang)應

圖(tu)4. 渦(wo)流檢(jian)測的(de)實(shi)驗(yan)裝置及(ji)結(jie)果(guo)

波形人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)對復(fu)雜(za)的(de)流體現(xian)象表現(xian)出極(ji).好的(de)靈(ling)敏(min)性(xing)，包括渦(wo)激(ji)振(zhen)動(dong)、振(zhen)蕩流動(dong)和(he)上(shang)遊(you)渦(wo)流尾(wei)跡。穩(wen)態流實(shi)驗(yan)表明，在(zai)0°攻角下，人工觸(chu)須(xu)的(de)波形形態(tai)可(ke)以(yi)顯著降低(di)觸須(xu)的(de)阻(zu)力(li)，抑(yi)制(zhi)渦(wo)激(ji)振(zhen)動(dong)的(de)產(chan)生(sheng)；振(zhen)蕩流實(shi)驗(yan)表明，觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)檢(jian)測振(zhen)蕩流流速(su)，閾(yu)值檢測限(xian)可(ke)低(di)至8mm/s；另外(wai)，渦(wo)流檢(jian)測實(shi)驗表(biao)明，該波形人工觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)辨(bian)別上(shang)遊(you)圓柱(zhu)誘導(dao)的(de)各(ge)種(zhong)渦(wo)流尾(wei)跡。該(gai)研究(jiu)成(cheng)果(guo)在(zai)智能(neng)流體分(fen)析(xi)方面具有巨大(da)的(de)應(ying)用潛(qian)力，以(yi)“Artificial Whisker Sensor with Undulated Morphology and Self-Spread Piezoresistors for Diverse Flow Analyses”為題發(fa)表在(zai)Soft Robotics上(shang)。