PμSL 3D打印技術(shù)制備的波形人工觸須傳感器用于不同流體的分析

近年來(lái)，隨著無(wú)人水下航行器和軟體機(jī)器人的發(fā)展，微型柔性流量傳感器已經(jīng)成為姿態(tài)控制和流場(chǎng)分析的關(guān)鍵器件。目前，仿生毛發(fā)流量傳感器的靈感多來(lái)自昆蟲(chóng)的觸角、海豹的觸須。其中，仿生毛發(fā)流量傳感器通常采用圓柱形結(jié)構(gòu)，但是該類型的傳感器會(huì)產(chǎn)生渦激振動(dòng)，這種渦激振動(dòng)會(huì)引發(fā)很大的噪音，并惡化流量傳感器的信噪比。海豹可以通過(guò)觸須識(shí)別、定位和追蹤獵物。這種波形觸須可以抑制渦激振動(dòng)的產(chǎn)生、降低渦激振動(dòng)引發(fā)的噪音。研究學(xué)者受海豹觸須形態(tài)的啟發(fā)制備了多種人工觸須傳感器。然而，這些傳感器通常體積龐大、組裝起來(lái)較為繁瑣。因此，使用簡(jiǎn)單的制備工藝并優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)以提高其靈敏度、使其微型化具有重要的意義。

近日，北京航空航天大學(xué)蔣永剛課題組基于面投影微立體光刻(PμSL) 3D打印技術(shù)結(jié)合PDMS澆鑄工藝制備了波形人工觸須傳感器，該傳感器可以用于不同流體的分析。人工觸須傳感器由仿生觸須和帶有壓阻傳感器的PDMS基座組成；PDMS基座上集成有4個(gè)微通道，并采用定向液體擴(kuò)散(DSL)方法將碳納米管/銀納米顆粒(CNT/AgNPs)墨水注入微通道中，以形成壓阻傳感器。研究人員基于PμSL (nanoArch S140，摩方精密) 3D打印技術(shù)制備了仿生觸須和兩個(gè)用于制備PDMS基座的模具。仿生觸須長(zhǎng)35mm，表面呈現(xiàn)波浪形，截面呈現(xiàn)橢圓形，幾何結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非對(duì)稱性；打印模具的鏈狀凸臺(tái)結(jié)構(gòu)寬度為200μm，高度為80μm，其中，凸臺(tái)上對(duì)稱菱形組成的結(jié)構(gòu)高度為30μm。 

圖1. 人工觸須傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. 人工觸須傳感器的制備。其中，a圖是基于PμSL技術(shù)制備的仿生觸須和兩個(gè)模具

圖3. 穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)中人工觸須傳感器在不同流速下的響應(yīng)

圖4. 渦流檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

波形人工觸須傳感器對(duì)復(fù)雜的流體現(xiàn)象表現(xiàn)出極。好的靈敏性，包括渦激振動(dòng)、振蕩流動(dòng)和上游渦流尾跡。穩(wěn)態(tài)流實(shí)驗(yàn)表明，在0°攻角下，人工觸須的波形形態(tài)可以顯著降低觸須的阻力，抑制渦激振動(dòng)的產(chǎn)生；振蕩流實(shí)驗(yàn)表明，觸須傳感器可以檢測(cè)振蕩流流速，閾值檢測(cè)限可低至8mm/s；另外，渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，該波形人工觸須傳感器可以辨別上游圓柱誘導(dǎo)的各種渦流尾跡。該研究成果在智能流體分析方面具有巨大的應(yīng)用潛力，以“Artificial Whisker Sensor with Undulated Morphology and Self-Spread Piezoresistors for Diverse Flow Analyses"為題發(fā)表在Soft Robotics上。