PμSL 3D打(da)印技術(shu)制備(bei)的(de)波(bo)形人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器用於(yu)不(bu)同流體的分析(xi)

近(jin)年來，隨著無(wu)人(ren)水下(xia)航(hang)行器(qi)和(he)軟(ruan)體機器人(ren)的(de)發(fa)展，微(wei)型柔性流量(liang)傳感(gan)器已經成(cheng)為(wei)姿(zi)態控(kong)制和(he)流場(chang)分析(xi)的(de)關(guan)鍵器(qi)件。目前，仿(fang)生毛發(fa)流量(liang)傳感(gan)器的(de)靈感(gan)多來自昆(kun)蟲(chong)的觸(chu)角(jiao)、海豹的觸(chu)須(xu)。其(qi)中(zhong)，仿(fang)生毛發(fa)流量(liang)傳感(gan)器通常(chang)采(cai)用圓(yuan)柱(zhu)形結構，但是該類型的傳(chuan)感(gan)器會(hui)產(chan)生渦(wo)激(ji)振動，這種(zhong)渦(wo)激(ji)振動會(hui)引發(fa)很(hen)大(da)的(de)噪音(yin)，並惡化(hua)流量(liang)傳感(gan)器的(de)信(xin)噪比。海豹(bao)可(ke)以(yi)通過觸(chu)須(xu)識(shi)別、定(ding)位(wei)和(he)追蹤(zong)獵物(wu)。這種(zhong)波(bo)形觸(chu)須(xu)可(ke)以(yi)抑制渦(wo)激(ji)振動的(de)產(chan)生、降(jiang)低(di)渦(wo)激(ji)振動引發(fa)的(de)噪音(yin)。研(yan)究(jiu)學(xue)者(zhe)受(shou)海豹(bao)觸(chu)須(xu)形態的啟(qi)發(fa)制備(bei)了多種(zhong)人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器。然(ran)而(er)，這些傳(chuan)感(gan)器通常(chang)體積(ji)龐(pang)大、組裝起來較(jiao)為(wei)繁瑣。因此，使用簡(jian)單(dan)的制備(bei)工(gong)藝並優化(hua)傳感(gan)器的(de)結構(gou)以提高其(qi)靈敏度(du)、使其(qi)微(wei)型化(hua)具(ju)有重(zhong)要(yao)的意(yi)義(yi)。

近(jin)日(ri)，北(bei)京(jing)航(hang)空航(hang)天大(da)學(xue)蔣(jiang)永剛(gang)課(ke)題(ti)組基(ji)於(yu)面(mian)投影(ying)微(wei)立體光(guang)刻(ke)(PμSL) 3D打(da)印技術(shu)結合(he)PDMS澆(jiao)鑄工藝制備(bei)了波(bo)形人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器，該(gai)傳感(gan)器可(ke)以(yi)用於(yu)不(bu)同流體的分析(xi)。人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器由(you)仿(fang)生觸(chu)須(xu)和(he)帶(dai)有壓(ya)阻(zu)傳(chuan)感(gan)器的(de)PDMS基(ji)座組成(cheng)；PDMS基(ji)座上(shang)集(ji)成(cheng)有4個(ge)微(wei)通道(dao)，並采用定(ding)向(xiang)液(ye)體擴散(DSL)方(fang)法(fa)將碳(tan)納(na)米管/銀納(na)米顆(ke)粒(CNT/AgNPs)墨水註入微(wei)通道(dao)中，以形成(cheng)壓(ya)阻(zu)傳(chuan)感(gan)器。研(yan)究(jiu)人(ren)員基(ji)於(yu)PμSL (nanoArch S140，摩(mo)方精密) 3D打(da)印技術(shu)制備(bei)了仿(fang)生觸(chu)須(xu)和(he)兩(liang)個用於(yu)制備(bei)PDMS基(ji)座的模具(ju)。仿(fang)生觸(chu)須(xu)長(chang)35mm，表(biao)面(mian)呈(cheng)現(xian)波(bo)浪(lang)形，截面(mian)呈(cheng)現(xian)橢(tuo)圓(yuan)形，幾何結構(gou)呈(cheng)現(xian)非(fei)對稱(cheng)性；打(da)印模(mo)具(ju)的鏈狀凸臺結(jie)構寬(kuan)度(du)為200μm，高度(du)為80μm，其(qi)中，凸臺上(shang)對(dui)稱(cheng)菱(ling)形組成(cheng)的(de)結(jie)構高度(du)為30μm。 

圖1. 人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器的(de)結構(gou)示意(yi)圖

圖2. 人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器的(de)制備(bei)。其(qi)中，a圖是基(ji)於(yu)PμSL技術(shu)制備(bei)的(de)仿(fang)生觸(chu)須(xu)和(he)兩(liang)個模(mo)具(ju)

圖3. 穩態(tai)流場(chang)中人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器在(zai)不同(tong)流速(su)下(xia)的響應

圖4. 渦(wo)流檢測(ce)的實(shi)驗(yan)裝置及(ji)結果

波(bo)形人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器對(dui)復(fu)雜的(de)流體現(xian)象表現(xian)出(chu)極。好(hao)的(de)靈敏性，包括(kuo)渦(wo)激(ji)振動、振蕩流動(dong)和(he)上(shang)遊(you)渦(wo)流尾(wei)跡。穩(wen)態(tai)流實(shi)驗(yan)表(biao)明(ming)，在(zai)0°攻(gong)角(jiao)下(xia)，人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)的(de)波(bo)形形態可(ke)以(yi)顯著(zhu)降(jiang)低(di)觸(chu)須(xu)的(de)阻(zu)力，抑制渦(wo)激(ji)振動的(de)產(chan)生；振蕩流實(shi)驗(yan)表(biao)明(ming)，觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器可(ke)以(yi)檢測(ce)振蕩流流速(su)，閾(yu)值檢測(ce)限可(ke)低(di)至8mm/s；另(ling)外(wai)，渦(wo)流檢測(ce)實(shi)驗(yan)表(biao)明(ming)，該(gai)波(bo)形人(ren)工(gong)觸(chu)須(xu)傳(chuan)感(gan)器可(ke)以(yi)辨別上(shang)遊(you)圓(yuan)柱(zhu)誘導的(de)各種(zhong)渦(wo)流尾(wei)跡。該(gai)研(yan)究(jiu)成(cheng)果在(zai)智(zhi)能流體分析(xi)方(fang)面(mian)具(ju)有巨(ju)大(da)的(de)應(ying)用潛(qian)力，以“Artificial Whisker Sensor with Undulated Morphology and Self-Spread Piezoresistors for Diverse Flow Analyses"為(wei)題(ti)發(fa)表(biao)在(zai)Soft Robotics上(shang)。