仿生毛发式柔性气流传感器：面向大面积气流传感的高灵敏度快速响应技术

本文推荐一种基于激光直写(LIG)和静电植绒技术开发的仿生毛发式柔性气流传感器，该传感器通过碳纤维网络接触分离机制实现高灵敏度(5.25% s m?1)、快速响应(39.83 ms)和宽检测范围(3.48–18.36 m s?1)，其独特的类皮肤结构可共形贴附于复杂曲面，为环境监测、智能机器人(embodied intelligence)和可穿戴设备提供新型气流感知方案。

　　

1 引言

受人体皮肤毛发感知气流机制启发，研究者开发出具有毛发状表面结构的柔性气流传感器。传统刚性传感器存在干扰流场、响应慢等问题，而该工作通过激光直写在聚酰亚胺(PI)薄膜上制备多孔激光诱导石墨烯(LIG)导电层，结合静电植绒技术植入3 mm碳纤维，形成类似毛囊-毛干的复合结构。这种设计模拟了人体毛发在气流作用下的振动-受体激活机制，为航空航天、环境监测等领域的大面积气流感知提供新思路。

2 结果与讨论

2.1 结构与性能

传感器呈现三层结构：PI基底/LIG导电层(厚度25 μm)/PVA-PANI-石墨烯粘结层，表面垂直植入的碳纤维密度达200-300根/mm²。SEM显示碳纤维穿透粘结层与LIG形成导电网络，其接触-分离行为使传感器在5.83 m s^?1流速下实现39.83 ms响应速度，比文献报道的硅纳米线传感器快6倍。

2.2 传感机制

建立碳纤维悬臂梁模型揭示：气流使纤维振动分离，导致并联电阻R_C变化。当R_C?R_S(粘结层电阻)时，总电阻R_t≈R_C。实验证实0°气流入射时灵敏度达5.25% s m^?1(<8 m s^?1)，90°时降至1.81% s m^?1，这与纤维空间分布导致的遮蔽效应相关。

2.3 阵列化应用

4×4阵列(100×100 mm)在风洞测试中成功重构阻塞流场，识别10 m s^?1流速下30 mm空间分辨率的气流变化。集成至NACA 5-H-20翼型表面时，能实时监测攻角30°时的气流分离现象。智能手套演示显示14个传感器可定位手指局部气流，ΔR/R₀信号漂移<3.8%。

3 结论

该传感器通过仿生设计实现性能突破：1) 静电植绒工艺使成本降低80%；2) 碳纤维网络赋予2300次循环稳定性；3) 最小气流扰动特性(较商用热膜传感器降低67%)使其在微型无人机流场检测中具独特优势。未来可通过优化纤维取向分布进一步提升方向识别精度。

4 实验方法

关键工艺参数：CO₂激光功率6.4 W/扫描速度100 mm s^?1，静电植绒电压16.5 kV。粘结剂配方为PVA(13 wt%)/PANI(0.8 wt%)/石墨烯(0.4 wt%)水溶液，80℃固化后碳纤维拔出力>0.15 N。测试采用Keithley 2400源表，流速校准用AR866A热式风速仪。