一片比頭發(fā)絲還細(xì)的光學(xué)纖維，讓機(jī)器人同時(shí)擁有了觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和嗅覺(jué)。原來(lái)，最高級(jí)的傳感技術(shù)，就藏在昆蟲(chóng)的觸角里。

▍生物靈感與技術(shù)突破：從昆蟲(chóng)觸角到微光學(xué)天線(xiàn)

在自然界，昆蟲(chóng)的觸角是多功能感知器官的代表。蝴蝶能用觸角感知微風(fēng)中的化學(xué)信息，蚊子能通過(guò)觸角振動(dòng)定位同類(lèi)翅膀的嗡嗡聲，螞蟻則依靠觸角觸摸與交流。

生物研究表明，昆蟲(chóng)觸角表面覆蓋著大量受體細(xì)胞，能將機(jī)械振動(dòng)、化學(xué)分子等信息轉(zhuǎn)換為生物電信號(hào)，經(jīng)由神經(jīng)傳遞至大腦進(jìn)行處理。這種高度集成、微型低功耗的傳感方案，正是當(dāng)前微型機(jī)器人領(lǐng)域夢(mèng)寐以求的技術(shù)范式。

以往模仿昆蟲(chóng)觸角的人工傳感器往往存在體積大、功耗高、難以集成等問(wèn)題。電子線(xiàn)路在微觀尺度下容易產(chǎn)生電阻增大、響應(yīng)延遲、信號(hào)串?dāng)_等一系列問(wèn)題。

近日，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)摒棄傳統(tǒng)電子路徑，在權(quán)威期刊《Science Advances》發(fā)表最新研究成果，成功復(fù)制了昆蟲(chóng)觸角的結(jié)構(gòu)與功能，研制出一種仿生微光學(xué)天線(xiàn)（MOA）。它大小僅約100微米，重量約1毫克，卻能賦予機(jī)器人媲美生物的多感官感知能力。

其核心構(gòu)造在于：一根微納光纖充當(dāng)“傳感神經(jīng)”，其外包裹的功能化聚合物薄膜作為“受體”。通過(guò)精確測(cè)量外界刺激所導(dǎo)致的光輻射或吸收損耗，MOA實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種環(huán)境信號(hào)的高靈敏度感知。

▍巧奪天工的制造：表面張力驅(qū)動(dòng)的微米級(jí)裝配

如何將直徑不足頭發(fā)的微納光纖裝配成復(fù)雜而精密的仿生結(jié)構(gòu)？研究團(tuán)隊(duì)展示了令人驚嘆的微制造智慧，利用液體表面張力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)式自組裝。

工藝始于將預(yù)先拉制成天線(xiàn)形狀的微納米纖維（MNF）水平浸入聚合物溶液。當(dāng)被緩慢提拉時(shí)，在液體表面張力的作用下，光纖的直段逐漸閉合，曲段向內(nèi)收縮。這一過(guò)程持續(xù)直至光纖自身的彈性彎曲力與液體的表面張力達(dá)到精確平衡，此時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成型并從液面脫離，形成最終的MOA。此方法高效、可控，制造良率超過(guò)96%，為規(guī)?；a(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

器件的功能可通過(guò)“受體”薄膜的材料進(jìn)行定制。例如，采用聚二甲基硅氧烷膜的MOA可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異穩(wěn)定的傳感；而使用摻雜了溴百里酚藍(lán)指示劑的Nafion膜，則專(zhuān)用于高靈敏度氨氣檢測(cè)。這種材料的靈活性為MOA應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景提供了可能。

MOA的仿生設(shè)計(jì)和制造

▍超越生物的多模態(tài)感知：觸、聽(tīng)、嗅的極致性能

MOA的核心價(jià)值在于它集成了多種超凡的感知能力，并在多項(xiàng)重點(diǎn)指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物感官的超越。

觸覺(jué)方面，它通過(guò)探測(cè)外力引發(fā)光纖彎曲導(dǎo)致的光輻射損耗來(lái)工作。通過(guò)調(diào)節(jié)光纖直徑（2.2至8.9微米），其彈性常數(shù)可在0.28至61.14 mN/m之間跨越兩個(gè)數(shù)量級(jí)，適應(yīng)不同需求。最纖細(xì)的MOA展示出5.7%/nN的力靈敏度，噪聲僅0.08%，力分辨率高達(dá)14.1 pN。同時(shí)，它還能感知?dú)饬鳎`敏度8.7%/m/s））和溫度變化（靈敏度20.6%/℃），響應(yīng)迅速。

MOA的觸覺(jué)傳感性能

聽(tīng)覺(jué)方面，MOA模仿昆蟲(chóng)的約翰斯頓器官。其薄膜對(duì)聲波產(chǎn)生響應(yīng)，帶動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，并由光纖捕獲信號(hào)。它的聽(tīng)覺(jué)帶寬驚人地覆蓋了10 Hz至10 MHz，在100 Hz至20 kHz范圍內(nèi)聲壓靈敏度約為10 mV/Pa。其頻率辨別能力精微，可區(qū)分100 Hz下僅0.01 Hz的差異，成功用于識(shí)別樂(lè)器音高（如尤克里里A、E、C、G弦的基頻）和昆蟲(chóng)振翅頻率（如蜜蜂的~193.1 Hz）。

MOA的聽(tīng)覺(jué)感知性能

嗅覺(jué)方面，團(tuán)隊(duì)研制了基于Nafion-BTB（溴百里酚藍(lán)）薄膜的氨氣“受體”。氨氣分子引起薄膜內(nèi)指示劑變色，從而選擇性吸收光纖中特定波長(zhǎng)的光。MOA對(duì)氨氣的檢測(cè)極限達(dá)28 ppb，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別僅為80毫秒和1.5秒，性能遠(yuǎn)超商用傳感器。演示中，MOA在1秒內(nèi)觸發(fā)警報(bào)，而對(duì)比的傳統(tǒng)傳感器反應(yīng)時(shí)間超過(guò)10秒。

MOA 的嗅覺(jué)感知機(jī)制和性能

真正的突破在于集成。單個(gè)MOA利用多波長(zhǎng)解耦技術(shù)，可同步感知觸、聽(tīng)、嗅刺激且串?dāng)_極低。通過(guò)同時(shí)監(jiān)測(cè)850nm（對(duì)機(jī)械刺激敏感）和650nm（對(duì)氨氣敏感）波長(zhǎng)的光強(qiáng)，它成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)8μN(yùn)力、9Hz聲波和60ppm氨氣的同步檢測(cè)。

使用單個(gè)MOA進(jìn)行同步多傳感器感知及其在機(jī)器人多傳感器感知和自主操作中的應(yīng)用

▍從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)戰(zhàn)：從空中到地面的感知革命

為驗(yàn)證MOA的實(shí)用價(jià)值，研究團(tuán)隊(duì)將其集成到兩個(gè)機(jī)器人平臺(tái)上，構(gòu)建了完整的感知-決策-行動(dòng)系統(tǒng)。

在撲翼蝴蝶機(jī)器人上，他們開(kāi)發(fā)了總重小于6克的超輕集成模塊（MOA本身僅約0.1克），集成了傳感、控制、飛行與無(wú)線(xiàn)通信功能。兩只MOA對(duì)稱(chēng)安裝在機(jī)器人頭部，如同真實(shí)的觸角。在戶(hù)外測(cè)試中，機(jī)器人能實(shí)時(shí)感知并區(qū)分觸摸、風(fēng)、聲音、溫度及氨氣。在一個(gè)關(guān)鍵演示中，正常飛行的機(jī)器人憑借MOA檢測(cè)到氨氣濃度超過(guò)閾值后，自主執(zhí)行了剎車(chē)與著陸動(dòng)作，全過(guò)程依賴(lài)于機(jī)載處理單元對(duì)MOA實(shí)時(shí)信號(hào)的分析。

同時(shí)，MOA也被安裝在尺寸小于10厘米的瓢蟲(chóng)地面機(jī)器人上，成功展示了其在觸覺(jué)探索、聲信號(hào)采集及危險(xiǎn)氣體泄漏監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力。這證明了MOA模塊具有極佳的適配性與擴(kuò)展性。

▍未來(lái)展望：微納光學(xué)感知開(kāi)啟無(wú)限可能

MOA的誕生，標(biāo)志著仿生感知技術(shù)邁入了一個(gè)新階段。它不僅僅是模仿生物，更是在原理（光學(xué)傳感）、工藝（張力驅(qū)動(dòng)裝配）和集成（多模態(tài)解耦）上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新融合。

這項(xiàng)技術(shù)前景廣闊。通過(guò)采用更細(xì)的微納光纖或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，MOA的尺寸、靈敏度與功能仍有巨大提升空間。其微型化、低功耗、抗干擾的特性，使其在微小型機(jī)器人（如昆蟲(chóng)級(jí)機(jī)器人、微飛行器）、精密醫(yī)療診斷（如內(nèi)窺鏡傳感）、危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有不可估量的應(yīng)用潛力。

自然界用億萬(wàn)年進(jìn)化出的解決方案，正在以意想不到的方式推動(dòng)科技進(jìn)步。下一次，當(dāng)你看到昆蟲(chóng)擺動(dòng)觸角時(shí)，或許正目睹著未來(lái)機(jī)器人感知技術(shù)的靈感源泉。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec4252