在自然界億萬(wàn)年的演化中，海洋生物練就了諸多令工程領(lǐng)域嘆服的 “黑科技”，海豹憑借獨(dú)特胡須在昏暗深海精準(zhǔn)追蹤獵物蹤跡的能力，一直是流體力學(xué)與仿生傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

近日，荷蘭格羅寧根大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)依托摩方精密面投影微立體光刻（PμSL） 技術(shù)，成功研制出真實(shí)胡須形態(tài)的3D打印MEMS流量傳感器。相關(guān)成果以“Seal whisker-inspired fully printed MEMS flow sensor via micron-scale soft material additive manufacturing”為題刊發(fā)于國(guó)際期刊《Microsystems & Nanoengineering》，為流體傳感、水下導(dǎo)航、流場(chǎng)檢測(cè)等領(lǐng)域開辟了全新技術(shù)路徑。

長(zhǎng)久以來(lái)，流致振動(dòng)、渦流干擾始終是流體結(jié)構(gòu)交互領(lǐng)域的核心難題，傳統(tǒng)工程器件極易受渦流誘發(fā)振動(dòng)（VIV）影響，出現(xiàn)信號(hào)失真、信噪比偏低等問(wèn)題。而港海豹、灰海豹等鰭足類生物的胡須演化出天然的波紋狀形貌，能夠有效抑制渦流振動(dòng)，精準(zhǔn)捕捉水流尾跡產(chǎn)生的微弱擾動(dòng)，這一特性成為仿生流體傳感器研發(fā)的靈感來(lái)源。過(guò)往相關(guān)研究大多采用簡(jiǎn)化的胡須模型，僅復(fù)刻理想的波長(zhǎng)直徑比例，無(wú)法還原天然胡須復(fù)雜的漸變輪廓與精細(xì)波紋，傳感器性能始終難以突破生物原型的極限，同時(shí)軟質(zhì)傳感基底、微通道一體化成型等制造難題，也制約著高靈敏度MEMS傳感器的量產(chǎn)與落地。

圖1. 展示了斑海豹、灰海豹和加州海獅的照片及其胡須顯微結(jié)構(gòu)。

針對(duì)以上行業(yè)痛點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的局限，基于港海豹、灰海豹、海獅三種生物胡須的高精度三維掃描數(shù)據(jù)，完整還原天然形貌特征，并結(jié)合摩方精密microArch® S240（精度：10μm）3D打印系統(tǒng)完成全結(jié)構(gòu)一體化打印，精準(zhǔn)復(fù)刻出胡須橢圓形截面與軸向連續(xù)波紋，完整保留不同物種胡須的形態(tài)差異，形態(tài)還原度達(dá)到微米級(jí)，解決了傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非平面仿生結(jié)構(gòu)成型的短板。

圖2. 展示了3D打印MEMS傳感器的設(shè)計(jì)和制造。

材料層面的創(chuàng)新與工藝深度融合，讓這款仿生傳感器實(shí)現(xiàn)性能躍升。研究團(tuán)隊(duì)定制調(diào)配彈性樹脂體系，兼顧微納打印精度與材料柔性，適配FSC柔性傳感基底的使用需求，突破了市面常規(guī)光固化軟質(zhì)樹脂精度不足、彈性偏弱的瓶頸。傳感器基底內(nèi)置500μm微通道與20μm波紋結(jié)構(gòu)，借助毛細(xì)作用將石墨烯納米片（GNP）墨水注入通道形成壓阻傳感單元，整套流程依托PμSL成型結(jié)構(gòu)的微觀表面特性自然完成，無(wú)需額外支撐結(jié)構(gòu)與復(fù)雜后處理，微通道形態(tài)規(guī)整無(wú)變形，為穩(wěn)定傳感奠定基礎(chǔ)。

圖3. 展示了GNP墨水的毛細(xì)注入過(guò)程及微觀形貌。

多項(xiàng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)展現(xiàn)出該傳感器的優(yōu)異表現(xiàn)：在靜態(tài)力學(xué)測(cè)試中，傳感器拉伸應(yīng)變系數(shù)達(dá)16.57，壓縮應(yīng)變系數(shù)為10.67，應(yīng)變靈敏度表現(xiàn)優(yōu)異；歷經(jīng)3000次循環(huán)載荷測(cè)試后，器件輸出信號(hào)依舊穩(wěn)定，具備很強(qiáng)的長(zhǎng)期工作可靠性。動(dòng)態(tài)測(cè)試證實(shí)，傳感器可捕捉低至0.5μm的微小振動(dòng)，響應(yīng)頻率覆蓋至70Hz，既能勝任穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)檢測(cè)，也可精準(zhǔn)解析渦流特征。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有參考價(jià)值：帶有天然波紋結(jié)構(gòu)的港海豹、灰海豹仿生胡須可顯著抑制渦流誘發(fā)振動(dòng)，信噪比遠(yuǎn)超表面光滑的海獅胡須仿生結(jié)構(gòu)，即便在遠(yuǎn)離流場(chǎng)擾動(dòng)源的工況下，依舊能清晰識(shí)別微弱水流尾跡信號(hào)，直觀驗(yàn)證了生物形貌與傳感性能的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

圖4. 電機(jī)械特性與流場(chǎng)表征。

總結(jié)：該研究研發(fā)的仿生海豹胡須3D打印MEMS傳感器具備深遠(yuǎn)應(yīng)用價(jià)值，既可支撐海洋生物形貌與流體感知相關(guān)科研研究、挖掘生物演化規(guī)律，也能賦能水下機(jī)器人導(dǎo)航、工業(yè)流體監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境探測(cè)等工程場(chǎng)景，依托仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化流場(chǎng)檢測(cè)精度，其一體化微納3D打印制備方式，更為各類柔性仿生微傳感器研發(fā)提供了可復(fù)用的全新研發(fā)范式。

作為全球微納3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)航企業(yè)，摩方精密微納3D打印技術(shù)憑借超高分辨率、跨尺度成型能力、多材料適配性，持續(xù)賦能全球高校與科研機(jī)構(gòu)深耕仿生學(xué)、MEMS、微流控、生物醫(yī)療等前沿領(lǐng)域。從精細(xì)仿生結(jié)構(gòu)到功能性微器件，從實(shí)驗(yàn)室原型到工程化應(yīng)用，摩方精密始終以創(chuàng)新的增材制造技術(shù)，打通“設(shè)計(jì)-制造-應(yīng)用”全鏈條，助力科研人員突破傳統(tǒng)工藝邊界，將自然靈感轉(zhuǎn)化為前沿技術(shù)成果。