現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)

靈敏度-線性度矛盾：傳統(tǒng)傳感器通過結(jié)構(gòu)放大變形提升靈敏度，但導(dǎo)致氣球效應(yīng)，線性度顯著下降。

材料疲勞：大變形引發(fā)晶界摩擦，能量耗散導(dǎo)致壽命短（通常<5,000次循環(huán)）。

溫度干擾：壓阻材料易受溫漂影響，需額外補(bǔ)償電路。

應(yīng)用局限：無法兼顧高壓抗過載（>100 kPa）與微壓檢測（<1 kPa）。

文章亮點(diǎn)

仿生雙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：模仿蝎子觸毛（爪狀根抑制膜偏轉(zhuǎn)）和裂縫感受器（應(yīng)力陷阱匯聚機(jī)械能），實(shí)現(xiàn)靈敏度65.56 mV/V/kPa與線性度0.99934的協(xié)同優(yōu)化。

寬域動態(tài)響應(yīng)：0-500 kPa全量程覆蓋，響應(yīng)時(shí)間72 ms（恢復(fù)16 ms），耐久性>20,000次循環(huán)。

智能感知系統(tǒng)：集成小波變換+ResNet18算法，識別層流/湍流及5種物體形狀（準(zhǔn)確率85.42%）。

抗干擾能力：溫度補(bǔ)償模塊（RT）降低環(huán)境溫漂影響，信噪比提升40%。

應(yīng)用場景

智能機(jī)器人：六足機(jī)器人近體流場感知（響應(yīng)延遲<100 ms），主動避障。

工業(yè)檢測：管道泄漏監(jiān)測（0.1 kPa分辨率）與設(shè)備振動分析。

醫(yī)療康復(fù)：無創(chuàng)脈搏波形監(jiān)測（微壓檢測限30 Pa）。

人機(jī)交互：手勢識別（握拳/抓取誤差率<5%）。

總結(jié)

作者報(bào)道了一種生物啟發(fā)的壓阻式壓力傳感器（BPPS），其在0至500千帕的壓力范圍內(nèi)，靈敏度和線性度分別達(dá)到65.56 （mV/V）/kPa和 0.99934 的協(xié)同增強(qiáng)效果。BPPS能夠區(qū)分層流、過渡流和湍流，并且通過集成小波變換算法和ResNet18深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，識別不同形狀的接近物體，其準(zhǔn)確率超過85.42%。作為概念驗(yàn)證，BPPS已被應(yīng)用于六足機(jī)器人中，以實(shí)現(xiàn)近體流場感知，從而主動避免碰撞。該研究強(qiáng)調(diào)了利用生物昆蟲啟發(fā)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)概念以提高傳感性能的潛力，并為其他高精度傳感器提供了結(jié)構(gòu)性見解。

02

圖文簡介

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) 毛觸器感受器。(ii) 裂縫感受器。(iii) H. petersii 蝎子。比例尺，1厘米。(B) BPPS的結(jié)構(gòu)及(C) BPPS的數(shù)字圖像和生物啟發(fā)應(yīng)力捕捉裝置（正面）及彎曲抑制單元（背面）的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺，100微米；100微米；和1毫米。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)外部刺激引起感應(yīng)膜上的壓力差時(shí)，BPPS將輸出相應(yīng)的電壓。(E) BPPS展現(xiàn)出對多種物理量的多功能檢測能力，如壓力、氣流和高海拔。

圖2. 蝎子機(jī)械感知機(jī)制的揭示與仿真優(yōu)化。(A) 裂縫感受器的放大視圖。圖中的白色區(qū)域?yàn)榱芽p感受器的位置。(B) 分布于裂縫感受器尖端的應(yīng)力捕集器。(C) 應(yīng)力捕集區(qū)與其他區(qū)域之間的規(guī)范化馮·米塞斯應(yīng)力比較。(D) DIC結(jié)果。變形通過亨基應(yīng)變進(jìn)行映射。(E) 3D μ-CT重建的觸毛感受器結(jié)構(gòu)。爪狀結(jié)構(gòu)為觸毛的末端，直接接觸神經(jīng)末梢的突觸終端上的受體。(F) 在氣流為1.026升/分鐘時(shí)，觸毛感受器的電生理響應(yīng)。(G) EAG幅度對氣流（0.700至1.050升/分鐘）的依賴關(guān)系及其線性擬合曲線。(H) 在設(shè)計(jì)A至E中，Ri和Rd處于最佳位置時(shí)的平均應(yīng)力。(I) 在施加1 kPa恒定壓力下，感知膜的有限元應(yīng)變云圖。(J) 當(dāng)y設(shè)為3000 mm時(shí)，膜的彎曲撓度。設(shè)計(jì)E中的最大撓度位移顯著減少。(K) 設(shè)計(jì)A至E中靈敏度和線性的可視化。

圖3. BPPS的表征。(A) BPPS在靜態(tài)壓力（0至500 kPa）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對三種不同輸入振動波形（1 Hz）的識別表明其識別不同振動信號的能力。(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半三角波脈沖下進(jìn)行超過20,000次循環(huán)的疲勞測試結(jié)果及生存預(yù)測的峰值擬合曲線。(F) BPPS電阻值的一致性。隨機(jī)選取的16個BPPS的電阻值范圍小于0.3?。(G) 無外部刺激的輸入/輸出電壓曲線。(H) BPPS的響應(yīng)一致性測試。六個BPPS在五個1 Hz半正弦波脈沖下的響應(yīng)結(jié)果。

圖4. 流態(tài)檢測與識別性能。(A) 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及采集電路系統(tǒng)。(B) 在層流(0.5 m/s)、過渡流(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)信號的瞬時(shí)頻率（白色虛線）和幅度（彩色映射）。(D) 幅度概率密度分布。(E) 三種流態(tài)信號的時(shí)頻譜圖（短時(shí)傅里葉變換）。(F) 流速范圍為0.1至2.35 m/s下的BPPS響應(yīng)曲線。(G) 近距離測試。pts，點(diǎn)；LOWESS，局部加權(quán)散點(diǎn)平滑。(H) ResNet18深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。RESNET，殘差網(wǎng)絡(luò)；CONV，卷積；BN，批量歸一化；Relu，修正線性單元。(I) 五信號分類接收者操作特征曲線。AUC，曲線下面積。(J) 驗(yàn)證結(jié)果的混淆矩陣。

圖5. 智能機(jī)器人近體流場感知。(A) 受蝎子啟發(fā)的六足步行平臺，配備四個生物壓力傳感器 (BPPS)。 (B) 生物啟發(fā)近體流場感知機(jī)器人的PCB設(shè)計(jì)。 (C) 生物啟發(fā)機(jī)器人近體流場感知功能組件的示意圖。該系統(tǒng)主要由四個BPPS、一個微控制器單元（Atmega328P）、一個藍(lán)牙模塊（hc-08）和12個伺服執(zhí)行器（mg90s）組成。GPIO，通用輸入/輸出；PWM，脈寬調(diào)制。 (D) 四個BPPS的布置配置旨在最大化當(dāng)物體接近生物啟發(fā)機(jī)器人時(shí)所檢測到的壓力差。Fwd，前；Lt，左；Rt，右。 (E) 風(fēng)箏圖展示了BPPS在從不同方向以0.5 m/s速度的氣流作用下的響應(yīng)，如紅色箭頭所示。 (F) 六足步行平臺對以0.25 m/s速度接近的獵物模擬器（小紙箱）的信號響應(yīng)。 (G) 六足步行平臺對以0.25 m/s速度接近的捕食者模擬器的信號響應(yīng)。

03

文獻(xiàn)來源

Pinkun Wanget al., Hypersensitive pressure sensors inspired by scorpion mechanosensory mechanisms for near-body flow detection in intelligent robots.Sci. Adv.11,eady5008(2025).doi:10.1126/sciadv.ady5008