壓力傳感器可以將壓力刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在健康監(jiān)、智能機(jī)器人和人機(jī)交互方面具有各種有前景的應(yīng)用。硅基壓阻式壓力傳感器因其高耐用性、低能耗和批量制造能力而得到了很好的研究和廣泛的商業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。盡管在開(kāi)發(fā)高性能壓阻式壓力傳感器方面取得了重大進(jìn)展，但靈敏度和線性范圍之間的權(quán)衡仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，并影響了傳感精度。具體而言，壓阻式壓力傳感器的靈敏度直接由壓敏電阻中的應(yīng)力決定，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)使用特殊的梁或島結(jié)構(gòu)來(lái)放大變形，但它們也加劇了氣球效應(yīng)（即膜中軸向應(yīng)力的增加），這會(huì)顯著降低線性度。此外，大變形會(huì)引起晶界摩擦、位錯(cuò)和缺陷的傳播，從而在非彈性勢(shì)中耗散大量能量，導(dǎo)致線性度降低。

在自然界中，生物體已經(jīng)進(jìn)化出卓越的感知能力，具有非凡的感知能力來(lái)適應(yīng)復(fù)雜和惡劣的生活環(huán)境，這為人工傳感系統(tǒng)的發(fā)展提供了靈感。蝎子的視力逐漸衰退，已經(jīng)進(jìn)化出一種高精度的機(jī)械感測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由毛足蟲(chóng)感器組成，用于感知?dú)饬鞯淖兓⒂瑟M縫感器檢測(cè)地面的振動(dòng)。蝎子毛狀體感器的特征是長(zhǎng)而細(xì)的毛干。毛孢菌感器的根表現(xiàn)出由于局部增生而形成的爪狀結(jié)構(gòu)，爪尖直接接觸神經(jīng)末梢突觸末端的受體。與傳統(tǒng)的毛發(fā)狀機(jī)械感受器相比，爪狀根部結(jié)構(gòu)有效地抑制了感覺(jué)膜的偏轉(zhuǎn)位移，從而使蝎子能夠以高度線性的方式感知壓力信號(hào)。另一方面，狹縫感器由12個(gè)在外骨骼平面向外輻射的狹縫以及位于狹縫尖端下方的機(jī)械感覺(jué)神經(jīng)元組成。當(dāng)振動(dòng)信號(hào)刺激狹縫感受器時(shí)，狹縫有效地促進(jìn)了分散的機(jī)械能的會(huì)聚，類似于蝎子如何構(gòu)建應(yīng)力陷阱（ST）來(lái)捕獲應(yīng)力。相應(yīng)的神經(jīng)元將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為膜電位。此外，壓力集中區(qū)和神經(jīng)元感受野之間的高度重疊，即所謂的“空間原理”，也顯著增強(qiáng)了蝎子感知周圍環(huán)境振動(dòng)的敏感性。因此，蝎子的爪狀結(jié)構(gòu)和狹縫結(jié)構(gòu)使其能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的感知精度，有助于其熟練地捕捉獵物和躲避捕食者。一般來(lái)說(shuō)，傳感器受到外部刺激的刺激，這些刺激會(huì)激發(fā)敏感元件產(chǎn)生電信號(hào)。然而，激活敏感元件所需的能量通常不足，敏感元件中的內(nèi)摩擦降低了彈性勢(shì)能，導(dǎo)致靈敏度和線性度降低。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作受蝎子高精度機(jī)械傳感機(jī)制的啟發(fā)，報(bào)道了一種仿生壓阻式壓力傳感器（BPPS），在0至500千帕的壓力范圍內(nèi)，其靈敏度和線性度分別在65.56毫伏/伏/千帕和0.99934下協(xié)同增強(qiáng)。

2. 通過(guò)整合小波變換算法和ResNet18深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，BPPS可以區(qū)分層流、過(guò)渡流和湍流，并識(shí)別不同形狀的接近物體，準(zhǔn)確率超過(guò)85.42%。

3. 作為概念驗(yàn)證，BPPS已被設(shè)計(jì)在六足機(jī)器人中，以實(shí)現(xiàn)近體流場(chǎng)傳感，從而主動(dòng)避免碰撞。

圖文解析

圖1. 受蝎子機(jī)械感受器啟發(fā)的高精度壓力傳感器。

（A） 蝎子的體感系統(tǒng)。（i）毛孢霉感器。（ii）狹縫感器。（iii）H.petersi蝎。比例尺，1 cm。（B）BPPS結(jié)構(gòu)和（C）BPPS數(shù)字圖像和仿生應(yīng)力陷阱（正面）和撓曲抑制單元（背面）的SEM圖像。比例尺，100 μm；100 μm；這些圖中的電阻器：Rx（x=i，d，T）。i，增加；d，減少；T，溫度。（D）傳感原理。當(dāng)外部刺激在傳感膜上產(chǎn)生壓差時(shí)，BPPS將輸出相應(yīng)的電壓。（E）BPPS在多個(gè)物理量上表現(xiàn)出通用的檢測(cè)能力，如壓力、氣流和海拔高度。

圖2. 蝎子機(jī)械傳感機(jī)制的啟示和仿真優(yōu)化。

（A） 狹縫感器的放大圖。圖中的白色區(qū)域是狹縫感器位點(diǎn)。（B）應(yīng)力陷阱分布在狹縫感器的尖端。（C）應(yīng)力陷阱區(qū)域和其他區(qū)域之間的歸一化von mises應(yīng)力比較。（D）DIC結(jié)果。變形用Hencky應(yīng)變繪制。（E）三維μ-CT重建毛孢菌感器結(jié)構(gòu)。爪狀結(jié)構(gòu)是毛足蟲(chóng)的末端，直接接觸神經(jīng)末梢突觸末端的受體。（F）1.026升/分鐘氣流下毛孢霉感器的電生理反應(yīng)。（G）EAG振幅對(duì)氣流的依賴性（0.700至1.050升/分鐘）及其線性擬合曲線。（H）Ri和Rd在設(shè)計(jì)A至E中處于最佳位置時(shí)的平均應(yīng)力。（I）在1 kPa的恒定壓力下，傳感膜的有限元應(yīng)變?cè)茍D。（J）將y設(shè)置為3000 mm的膜的彎曲撓度。設(shè)計(jì)E中的最大撓度位移顯著降低。（K）設(shè)計(jì)A至E中靈敏度和線性的可視化。

圖3. BPPS的特征。

（A） BPPS在靜壓（0至500kPa）下的響應(yīng)曲線及其線性擬合曲線。（B）實(shí)驗(yàn)曲線與截距為0的線性擬合曲線之間的非線性誤差。（C）BPPS對(duì)三種不同輸入振動(dòng)波形（1 Hz）的識(shí)別意味著其能夠識(shí)別不同的振動(dòng)信號(hào)。（D）BPPS在1-Hz半方波脈沖下的響應(yīng)速度。（E）BPPS在重復(fù)1-Hz半三角波脈沖下超過(guò)20000次循環(huán)的疲勞試驗(yàn)結(jié)果和用于生存預(yù)測(cè)的峰值擬合曲線。（F）BPPS電阻值的一致性。隨機(jī)選擇的16個(gè)BPPS中的電阻值范圍小于0.3?。（G）無(wú)外部刺激的輸入/輸出電壓曲線。（H）BPPS的響應(yīng)一致性測(cè)試。得到了六個(gè)BPPS在1Hz五個(gè)半正弦波脈沖下的響應(yīng)結(jié)果。

圖4. 流態(tài)檢測(cè)和識(shí)別性能。

（A） 實(shí)驗(yàn)裝置和采集電路系統(tǒng)。（B）層流（0.5 m/s）、過(guò)渡流（1.0 m/s）和湍流（2.0 m/s）下的BPPS響應(yīng)曲線。（C）三種流態(tài)信號(hào)的瞬時(shí)頻率（白色虛線）和振幅（彩色映射）。（D）振幅概率密度分布。（E）三流型信號(hào)的時(shí)頻譜圖（短時(shí)傅里葉變換）。（F）流速在0.1至2.35 m/s范圍內(nèi)的BPPS響應(yīng)曲線。（G）近距離測(cè)試。pts，分?jǐn)?shù)；低，局部加權(quán)散點(diǎn)圖平滑。（H）ResNet18深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。RESNET，剩余網(wǎng)絡(luò)；CONV，卷積；BN，批量標(biāo)準(zhǔn)化；Relu，整流線性單元。（一）五類信號(hào)分類接收機(jī)工作特性曲線。AUC，曲線下面積。（J）驗(yàn)證結(jié)果的混淆矩陣。

圖5. 智能機(jī)器人的近體流場(chǎng)感知。

（A） 這款以蝎子為靈感的六足步行平臺(tái)配備了四個(gè)BPPS。（二）仿生近體流場(chǎng)感知機(jī)器人的PCB設(shè)計(jì)。（C）仿生機(jī)器人用于近體流場(chǎng)感知的功能部件示意圖。該系統(tǒng)主要由四個(gè)BPPS、一個(gè)微控制器單元（Atmega328P）、一個(gè)藍(lán)牙模塊（hc-08）和12個(gè)伺服執(zhí)行器（mg90s）組成。GPIO，通用輸入/輸出；PWM、脈寬調(diào)制。（D）四個(gè)BPPS的布置被配置為在物體接近仿生機(jī)器人時(shí)使檢測(cè)到的壓力增量最大化。Fwd，向前；左；右，對(duì)。（E）風(fēng)箏圖顯示了BPPS在受到來(lái)自不同方向的0.5 m/s氣流時(shí)的響應(yīng)，如紅色箭頭所示。（F）六足步行平臺(tái)對(duì)以0.25 m/s接近的捕食者模擬器（小紙箱）的信號(hào)響應(yīng)。

審核編輯 黃宇