仿生傳感器：納米技術(shù)成為最熱選擇

人類能否發(fā)明某種裝置，像魚兒一樣敏銳感知水中的細(xì)微擾動(dòng)？或者學(xué)習(xí)蝴蝶，隨著空氣中化學(xué)成分的變化更改翅膀的色彩？
歷經(jīng)幾十億年的進(jìn)化，生物界與自然的融合趨于完美。而模仿生物的特殊結(jié)構(gòu)和功能，一直是人類技術(shù)思想、發(fā)明創(chuàng)造的源泉。作為仿生科技的重要一員，仿生傳感器是基于生物學(xué)原理設(shè)計(jì)的可以感受規(guī)定待測(cè)物并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換及輸出可用信號(hào)的器件或裝置，它是一種采用新的檢測(cè)原理的新型傳感器，由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，另外輔之以信號(hào)調(diào)整電路或電源等。
敏感機(jī)制的仿生
仿生傳感器的設(shè)計(jì)理念主要涵蓋兩大方面：一是敏感機(jī)制的仿生，包括敏感材料與敏感原理的仿生設(shè)計(jì)；二是傳感器功能的仿生。仿生敏感材料（也被稱為仿生智能材料）與仿生原理是發(fā)展仿生傳感器的基石與核心，直接決定了仿生傳感器技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，該領(lǐng)域研究極為活躍。
中科院院士、中科院化學(xué)所研究員江雷等通過改變碳納米管陣列的形貌以及對(duì)碳納米管進(jìn)行修飾，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其親水性能的調(diào)控，甚至達(dá)到如荷葉般的超疏水性。另外，他們基于仿生學(xué)原理，以高分子聚合物為溫度敏感材料，通過熱誘導(dǎo)結(jié)合表面化學(xué)修飾，實(shí)現(xiàn)了超雙親/超雙疏功能的可逆開關(guān)。2010年，他們又在《自然》（Nature）雜志上報(bào)道了基于蜘蛛絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及吸濕原理，設(shè)計(jì)出具有納米孔結(jié)構(gòu)的纖維，甚至實(shí)現(xiàn)了對(duì)濕氣中水滴的直接采集。
中科院合肥智能機(jī)械所的研究人員基于珊瑚的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過分子化學(xué)組裝方法，設(shè)計(jì)納米顆粒組裝的仿珊瑚結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料，其氣體敏感性能、光電轉(zhuǎn)換性能等與傳統(tǒng)塊體材料甚至常規(guī)結(jié)構(gòu)納米材料相比均獲得大幅提高，可廣泛應(yīng)用于化學(xué)/生物傳感器、染料敏化太陽能電池等諸多領(lǐng)域；基于人工抗體原理的分子印記仿生傳感器，在爆炸物、環(huán)境污染物的檢測(cè)方面也極具價(jià)值；通過對(duì)壁虎腳中吸盤微結(jié)構(gòu)的分析，采用半導(dǎo)體微納加工技術(shù)，制作了仿壁虎腳功能的傳感器，結(jié)合相應(yīng)驅(qū)動(dòng)裝置，可以在各種復(fù)雜表面上自由攀爬。
另外，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、清華大學(xué)、北京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也開展了大量卓有成效的工作，取得的一批成果走在了國際前沿。
傳感器功能的仿生
另一方面，模仿生物的功能，研制具有與其功能相似的傳感器為人類所用，也是極具吸引力的領(lǐng)域。
基于人手皮膚的觸覺感應(yīng)以及肌肉的伸縮原理，意大利與瑞典科學(xué)家聯(lián)合研制了基于傳感器陣列的仿生感應(yīng)系統(tǒng)和由反饋信號(hào)控制的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置，可以模擬人手實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜形貌物體的抓與放，并進(jìn)行搬動(dòng)。
合肥智能機(jī)械所則采用氣體傳感器陣列，開發(fā)了可任意組合、結(jié)構(gòu)形狀不限的電子鼻探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)易制毒化學(xué)品的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，能檢出并判定12種易制毒化學(xué)品，檢測(cè)時(shí)間小于兩分鐘，特別適用于車站、邊檢口岸等場(chǎng)所的安檢。
近年來，模仿魚類的仿生傳感器研究成為新的熱點(diǎn)。韓國建國大學(xué)的研究人員采用壓阻執(zhí)行器模擬魚尾鰭，并通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器頻率控制尾鰭的擺動(dòng)速率，獲得了直行速度2.5厘米/秒的機(jī)器魚。我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員則采用具有形態(tài)存儲(chǔ)功能的合金材料作為魚鰭，研制了一種微型機(jī)器魚，其可直行亦可繞行，直行的最大速度達(dá)到11.2厘米/秒，最小拐彎半徑13.6厘米。此外，美國馬薩諸塞州理工學(xué)院以及英國艾塞克斯大學(xué)的研究人員也正在開展此方向的研究。目前，機(jī)器魚無論是直行速度還是游動(dòng)靈活性方面，都日益貼近真實(shí)。
眾所周知，魚類賴以生存的感應(yīng)器官在于其側(cè)線，探測(cè)障礙物、感應(yīng)水中擾動(dòng)乃至追蹤定位獵物，無不依靠其側(cè)線感應(yīng)器官。側(cè)線就像是從頭到尾排列了多個(gè)傳感器，探測(cè)來自不同方向的刺激，魚類利用不同部位感受器報(bào)警的強(qiáng)度與時(shí)間差測(cè)定刺激的大小和方位。許多陸生生物也具有結(jié)構(gòu)與功能相似的器官，比如昆蟲的觸角。這樣看來，若能對(duì)魚側(cè)線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)制進(jìn)行模仿，獲得相似的感知功能，對(duì)于水下物體的靈敏感知與精確定位、潛艇艦船的航行與水下機(jī)器人的精確控制、動(dòng)態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控等都具有重要意義。
在這方面，佐治亞理工學(xué)院的研究人員走在了前列，他們開發(fā)出一種基于絨毛觸覺敏感的仿魚側(cè)線傳感器，在模擬水體環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)絨毛對(duì)流體擾動(dòng)信號(hào)響應(yīng)十分靈敏。這種新型仿生傳感器甚至被美國軍方寄予厚望，有望發(fā)展成為超越聲吶的超靈敏、抗干擾能力強(qiáng)的新一代水下探測(cè)器。
利用相似的仿生原理，荷蘭科學(xué)家模仿蟋蟀的觸角結(jié)構(gòu)，制作了基于納米柱陣列的仿生流體傳感器，對(duì)細(xì)微擾動(dòng)也表現(xiàn)出高的靈敏度。
未來：更微觀，更小型化
仿生傳感器技術(shù)發(fā)展至今，從智能材料到傳感器件構(gòu)筑與應(yīng)用，都達(dá)到了很高水平。當(dāng)然，隨著研究的不斷深入以及應(yīng)用領(lǐng)域的逐步拓展，對(duì)仿生傳感器也提出了越來越苛刻的要求。
一方面，仿生傳感器日益朝著基于生物組織本身的微觀結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)制模仿的方向發(fā)展；另一方面，基于某些整體裝置的小型化、便攜化、低碳節(jié)能化考慮，仿生傳感器的微型化也成為一大挑戰(zhàn)。
由宏觀到微觀的轉(zhuǎn)變，使得納米技術(shù)這一迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)成為最佳選擇。比如美國GE公司全球研發(fā)中心即將投入開發(fā)的仿生光敏納米傳感器，即是納米技術(shù)與仿生結(jié)合的典型例子，通過模仿蝴蝶翅膀鱗片中獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)高靈敏光學(xué)探測(cè)。又如基于納米壓印技術(shù)發(fā)展的高分子聚合物納米透鏡陣列，可以實(shí)現(xiàn)昆蟲復(fù)眼的多角度觀察功能。
納米技術(shù)將是未來發(fā)展新型結(jié)構(gòu)與功能仿生傳感器的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)?？梢灶A(yù)見，基于納米技術(shù)與仿生學(xué)原理開發(fā)的新一代納米仿生傳感器，將大大豐富人類的物質(zhì)世界，使人們的生活更加便利、舒適與安全。