3D打印人工纤毛阵列: 可定制机械传感的多功能工具

来源： i学术i科研

机械传感器对于机器人检测电子皮肤 (e-skin) 应用和微创手术中的环境刺激至关重要，可让机器人感知压力、气流、温度和湿度的变化，并绘制表面拓扑结构图，对灰尘或碎屑做出快速反应。生理纤毛结构由两部分组成: 受力时会扭曲的毛状结构和能检测到这种扭曲的神经细胞(树突)。这种组合使纤毛结构对周围环境中最微小的变化都异常敏感。因此，纤毛机械传感器的灵活性使其具有广泛的潜在应用，从检测气流、水流到识别机器人所处环境。目前基于人工纤毛的传感器依赖于压阻、电容和磁场传感机制。压阻传感是指当纤毛受到物理扰动(如空气或液体流动的影响)而弯曲时，基底的电导率会在压缩或应变时发生变化。磁感应利用的是磁极化纤毛，当纤毛弯曲时会产生杂散磁场，磁感应基底可探测到杂散磁场。制作这些微型纤毛通常采用模板微型机电系统、自组装、纤毛牵引、激光烧结印刷等方法。

在弹性体中加入纤毛状突起可实现环境响应，使传感器能够与周围环境互动并导航。要提高基于电子皮肤的机械传感器的性能，需要考虑三个关键方面：i)简单而多功能的传感机制；ii)可扩展性和可定制性；iii)传感线性度。然而，现有的传感机制往往局限于特定的目标应用，如触觉、气流或液体流动传感。基于接触电阻的传感方法具有多功能传感、工作电压低和器件结构简单等优点。在这种方法中，当连接到源电极的纤毛受到刺激而弯曲并与连接到漏电极的纤毛接触时，电极之间的电流就会发生变化。这种机制实现了传感器的两种工作模式：动态模式(移动的纤毛与静止的基底相互作用)和静态模式(外部因素使静止的纤毛发生偏转)。这种纤毛间接触方法就像开关一样，当刺激跨越特定阈值时，就会触发电流从初始的“关”状态过渡到“开”状态。这种功能在需要精确检测刺激超过阈值的时刻的应用中尤为有效。这种开关传感机制的简易性使其适用范围超出了气流、液体流动和触觉传感等单一应用。它可应用于生物电子学，如人工睫毛，可同时对灰尘和气流等机械刺激做出反应；也可应用于液体和干燥环境中的触觉传感或需要动态传感来探索空间，静态传感来感知附近的刺激。

研究成果
基于生物启发的纤毛机械传感器具有很高的响应速度，适合广泛的工业、环境和生物医学应用。尽管前景广阔，但由于涉及复杂的传感机制和制造方法，开发具有多功能性、可扩展性、可定制性和传感线性度的传感器仍面临挑战。为此，美国弗吉尼亚联邦大学Daeha Joung教授等人采用了具有高导电性和易于制造的高纵横比聚己内酯/石墨烯纤毛结构来应对这些挑战。针对这些三维打印结构，提出了一种 “纤毛间接触”传感机制，使传感器的功能类似于开关，从而大大提高了灵敏度，减少了检测的模糊性。纤毛结构具有很高的可定制性，包括厚度、高度、间距和排列，同时保持机械坚固性。传感器设计的简易性使其能够在气流和水流监测、盲文检测和碎片识别等不同应用中进行高灵敏度检测。总之，所提出的基于导电纤毛的独特传感机制具有多项优势，推动了智能机器人和人体假肢中多重传感功能和柔性电子皮肤应用的发展。相关研究以“3D-Printed Artificial Cilia Arrays: A Versatile Tool for Customizable Mechanosensing”为题发表在Advanced Science期刊上。

图文导读

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.

总结与展望
作者介绍了一种以人工导电纤毛为模型的纤毛间接触机械传感机制。该机制使用石墨烯-PCL 纳米复合墨水，通过挤压法将墨水3D打印成高纵横比纤毛阵列，并利用这些阵列的响应电特性来检测各种刺激。有限元分析与实验结果一起用于描述纤毛在施加线性压力和外部点力时的物理弯曲特性。再现性测试表明，纤毛的结构和响应性具有高度的一致性和耐久性纤毛表现出极佳的韧性，即使弯曲 30°后也能恢复到未弯曲时的原始位置，在空气和水中都能承受较高的流速(分别达到 57 ms-1 和240 mms-1)，表现出抗水性腐蚀的能力，并在多次循环负荷下保持稳定的性能。这种机制的主要优势在于其可扩展性、可定制性和多功能性，这使其有别于其他基于磁性或压电性的机械传感纤毛传感器。这种机制中的可弯曲导电纤毛可处于两种状态: 接触和分离。因此，纤毛传感器可以检测到区分这两种状态的任何刺激，包括表面拓扑结构的变化、气流、水流、两个表面相对运动等。与专门的压力或气流传感器相比，这种多功能性具有成本效益和可扩展性。

未来，3D打印技术可用于为该项目定制病人专用的设计，从而实现个性化医疗和监测。基于纤毛的传感器可以动态、准确地读取盲文，这对于视障人士或机器人技术来说非常宝贵。此外，植入式纤毛睫毛能检测并触发碎片清除，可为脱发患者提供有效的治疗，或为敏感的相机镜头提供机器人保护。最终，这种基于纤毛的传感机制为 3D 打印的下一代机械传感提供了众多机会，适用于从环境研究到汽车工业、医疗康复和工业维护等广泛领域。

文献链接
3D-Printed Artificial Cilia Arrays: A Versatile Tool for Customizable Mechanosensing
https://doi.org/10.1002/advs.202303164