壓阻式氣流傳感器因其制備簡單、信號易獲取和高靈敏響應性，引起了人們極大的研究興趣并廣泛應用于航空航天、氣候預報、生物醫(yī)學工程、礦產(chǎn)勘測和可穿戴監(jiān)測等領域。目前，科研人員在提高壓阻式氣流傳感性能方面付出了巨大的努力，通過設計各種各樣的微觀或宏觀結(jié)構(gòu)以降低檢測下限和/或擴大氣流傳感器的傳感范圍。然而，在超低檢測限和超寬傳感性能之間存在顯著的權衡，這是由于在氣流加載期間，活性材料之間的電接觸易于飽和所致。因此，迫切需要開發(fā)一種高效的替代策略來平衡這兩種性能，從而促進高性能壓阻式氣流傳感器的開發(fā)。

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員和肖鵬副研究員基于在碳基/高分子復合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感器方面的研究基礎，受自然蜘蛛網(wǎng)徑線感應氣流能力的啟發(fā)，通過碳基雜化材料和自支撐結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)了同時具有超低氣流檢測下限和超寬感應范圍的氣流傳感器。

蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)的高性能壓阻式氣流傳感器的構(gòu)筑及基本性能表征

在該工作中，作者采用界面自組裝和原位復合策略，構(gòu)筑了基于石墨烯/碳球雜化感應層的彈性非對稱薄膜，并將其設計成自支撐構(gòu)型，以實現(xiàn)高性能氣流傳感器的構(gòu)建。其中，自支撐結(jié)構(gòu)賦予該薄膜靈敏捕捉氣流擾動的能力，并以不同程度的形變響應氣流刺激。值得注意的是，該自支撐薄膜在不同強度的氣流作用下表現(xiàn)出動態(tài)的感應機制。當小氣流作用時，縱向壓縮增加了雜化體系中石墨烯片層間的電接觸并表現(xiàn)出正電流變化。隨著氣流增加，橫向拉伸效應逐漸增強，材料內(nèi)部導電通路被破壞，表現(xiàn)出負電流響應行為。正是由于材料內(nèi)部存在動態(tài)應變競爭機理，該傳感器能感知低至0.0087 m s-1的極其微弱氣流，同時能檢測高達23 m s-1的大氣流刺激。不僅如此，自支撐結(jié)構(gòu)使其能夠以低至0.1 s的時間快速響應氣流刺激，并能監(jiān)測高達1150次的循環(huán)氣流刺激，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。基于該傳感器出色的氣流響應能力，開發(fā)了先進的智能蜘蛛網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對氣流刺激方向、位置和強弱的實時檢測和預警，并進一步實現(xiàn)非接觸式控制虛擬蜘蛛的運動行為，為開發(fā)用于智能仿生系統(tǒng)和高效人機交互的高性能氣流傳感系統(tǒng)開辟了一條新途徑。

該工作以題為“Dynamic Competitive Strains Enabled Self-Supporting Janus Nanostructured Films for High-Performance Airflow Perception”的論文發(fā)表在Mater. Horizons, 2023,doi.org/10.1039/D2MH01482C。本研究得到了國家自然科學基金（52073295）、中國科學院青年創(chuàng)新促進會（2023313）、國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFC2805204、2022YFC2805202）、國家自然科學基金委中德交流項目（M-0424）、浙江實驗室開放研究項目（No.2022MG0AB01）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國科學院國際合作局（174433KYSB20170061）及王寬誠國際交叉團隊（GJTD-2019-13）等項目的資助。