仿生“电子汗毛”：高灵敏柔性气流传感器实现大面积感知
来源：FlexFrontiers
发布时间：2025-09-28
在航空航天、环境监测、可穿戴设备与智能机器人等领域，大面积气流传感能力对飞行感知、环境扰动监测和触觉感知等方面具有重要意义。传统的气流传感器通常存在结构刚性、灵敏度低、响应慢等问题，且制造工艺复杂、成本高，严重限制了其在大面积、曲面环境下的应用。近年来，柔性气流传感器因其良好的贴合性和适应性受到广泛关注，但仍面临灵敏度不足、响应速度慢、对流场干扰大等挑战。
文章简介
9月9日，华南理工大学谢颖熙、广州城市理工学院罗永超等人在《Advanced Science》上发表了一项名为《Hair‐Like Flexible Airflow Sensor for Large‐Area Airflow Sensing》的研究。该团队受人体毛发感知气流机制的启发，开发了一种基于激光直写与静电植绒技术的毛发状柔性气流传感器。该传感器具有高灵敏度（5.25% s m⁻¹）、快速响应时间（39.83 ms）、宽检测范围（3.48–18.36 m s⁻¹）以及对气流场干扰小等优点，可实现大面积、曲面环境下的气流速度、方向及入射点的实时监测。
研究内容
研究团队受人体皮肤-毛发结构启发，设计了一种由激光诱导石墨烯（LIG）导电层、粘结层和碳纤维绒毛层组成的复合结构传感器。通过静电植绒技术将碳纤维垂直植入柔性基底，形成类似毛发的敏感结构，具备优良的柔性和贴合性。
图1 人体毛发传感器系统及类头发柔性气流传感器阵列设计
传感器的形态与结构表征
通过直观的影像证据证实了传感器的成功制备及其核心特征。图a的实物照片和光学显微图像生动地展示了传感器表面类似毛发的微观形貌，这是其功能的基础。图b的截面SEM图像至关重要，它清晰地揭示了传感器的多层复合结构（PI基底、LIG导电层、粘结层和碳纤维层），为理解其导电通路和传感机制提供了物理依据。图c捕捉了碳纤维在气流中的振动状态，直观地演示了其类似于真实毛发的工作动态。图d展示了传感器阵列的柔性集成效果，为其“大面积”、“可贴合”的应用主张提供了视觉支持。
图2 气流传感器的形态和特性
通过测试平台示意图(a)、响应曲线(b)、灵敏度曲线(c)、响应/恢复时间(d,e)以及循环稳定性测试(f)，它用数据证明了传感器具有高灵敏度、快速响应、宽检测范围和极好的可靠性等关键优势。图g和h通过与本领域金标准（商用传感器）在平面和曲面上的对比实验，有力地验证了其测量结果的准确性和在复杂表面的适用性。图i的雷达图则将本工作的性能与既往研究进行横向对比，突出其综合性能的领先地位，强化了研究的创新性。
图3 气流传感器的性能
深入阐述传感器背后的物理原理和机电机制。通过建立碳纤维的力学模型(a)、分离状态示意图(b)、导电网络模型(c)和等效电路模型(d)，它从理论层面完美解释了观察到的实验现象（如电阻变化、分段灵敏度）。图e-g的一系列实验数据，系统地研究了气流角度、传感器尺寸和植绒密度等参数对性能的影响，为传感器的优化设计提供了直接的指导原则。图h的弯曲测试则证明了其机械鲁棒性，是支撑其“柔性”和“可穿戴”特性的关键证据。
图4 气流传感器的工作原理
将前文展示的所有优异性能和特性整合起来，最终落实到“大面积气流传感”这一核心目标上，完成了从基础研究到应用验证的闭环。图a和b构建了完整的实时监测系统。图c在风洞中通过烟雾可视化与传感器读数对比，令人信服地证明了阵列能准确重构复杂的二维气流场分布，甚至能识别障碍物引起的流场变化。图d将其应用于飞机翼型表面，展示了其在空气动力学原型检测等高端领域的潜力。图e最终将其集成于手套，实现了在可穿戴设备上的概念验证，预示着其在人机交互、康复医疗等领域的实用化未来。
图5 气流传感器阵列的应用
结论与展望
该研究成功开发了一种基于仿生结构的毛发状柔性气流传感器，解决了传统的传感器无法兼顾高灵敏度、快速响应、大面积监测和柔性集成的难题。该技术不仅在环境监测、智能机器人、可穿戴设备等领域具有广泛应用前景，也为未来大面积气流感知系统的设计提供了新的思路与技术路径。
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