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？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)計的可以感受規(guī)定待測物并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換及輸出可用信號的器件或裝置，它是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，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；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碳納米管進(jìn)行修飾，可以實現(xiàn)對其親水性能的調(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）雜志上報道了基于蜘蛛絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及吸濕原理，設(shè)計出具有納米孔結(jié)構(gòu)的纖維，甚至實現(xiàn)了對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，通過分子化學(xué)組裝方法，設(shè)計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)境污染物的檢測方面也極具價值；通過對壁虎腳中吸盤微結(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)和由反饋信號控制的機(jī)械聯(lián)動裝置，可以模擬人手實現(xiàn)對各種復(fù)雜形貌物體的抓與放，并進(jìn)行搬動。

　　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器，可以實現(xiàn)易制毒化學(xué)品的現(xiàn)場快速檢測，能檢出并判定12種易制毒化學(xué)品，檢測時間小于兩分鐘，特別適用于車站、邊檢口岸等場所的安檢。

　　近年來，模仿魚類的仿生傳感器研究成為新的熱點。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靈活性方面，都日益貼近真實。

　　眾所周知，魚類賴以生存的感應(yīng)器官在于其側(cè)線，探測障礙物、感應(yīng)水中擾動乃至追蹤定位獵物，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傳感器，探測來自不同方向的刺激，魚類利用不同部位感受器報警的強度與時間差測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、動態(tài)環(huán)境的實時監(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)行測試，發(fā)現(xiàn)絨毛對流體擾動信號響應(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、抗干擾能力強的新一代水下探測器。

　　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，對細(xì)微擾動也表現(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特的納米結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)高靈敏光學(xué)探測。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與熱點�？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。

　  （劉錦淮 博士，中科院合肥智能機(jī)械研究所研究員，博士生導(dǎo)師，長期以來主要從事納米材料與器件、檢測技術(shù)的研究。）

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