摘要: 《中国制造2025》和《“十三五”国家科技创新规划》以体现信息技术与制造技术深度融合的数字化、网络化、智能化制造为主线，加快推进我国制造业由大变强，提升我国制造业的国际竞争力。传感器作为被动元件，感知、检测信息，是推动智能化，信息化，自... 展开 《中国制造2025》和《“十三五”国家科技创新规划》以体现信息技术与制造技术深度融合的数字化、网络化、智能化制造为主线，加快推进我国制造业由大变强，提升我国制造业的国际竞争力。传感器作为被动元件，感知、检测信息，是推动智能化，信息化，自动化的重要推力，因此被列为优先发展领域。 柔性传感器由于其具有灵敏度高、适应性强、可弯曲、可穿戴等优点，广泛应用于人机交互、机器人等人工智能领域，成为研发新一代传感器的重要发展方向。近年来，从生物独特的感知能力中寻求柔性传感器的设计灵感，已成为一个研究热点。如典型生物蝎子，具有远超其他生物的微振动信号感知能力，感知能力超过了大部分精密仪器。蝎子缝感受器的超敏感知能力吸引了国内外学者对其展开了研究，但仍缺乏缝单元的几何参数对感知性能定量调控机制的探索，导致缝传感器的设计随机、性能不稳定、量程不可控，缺乏工程应用价值。本文以蝎子缝感受器的微观几何结构为仿生模本，研究了缝单元的几何参数对感知性能的量化调控机制，制备了可控量程的仿生柔性传感器，测试了传感器性能并展开了工程应用，主要研究工作如下： (1)以彼得异蝎(Heterometrus petersii)的缝感受器为仿生模板，首先，通过白光干涉法对缝单元的开口宽度、深度、平面分布情况进行观测，然后，设计缝单元应变响应动态实验，对缝单元的应变响应过程进行定量测试，研究了缝单元的开口宽度、深度、平面分布情况对蝎子感知性能的定量调控机制。 (2)基于生物实验数据，建立了缝单元有限元仿真模型，分析了缝单元的宽度、深度、间距及材料弹性模量对感知能力的影响。在此基础上，提出缝单元定量应变响应模型，以定量描述缝单元几何结构参数与外界应激信号之间的响应关系，为设计可控量程的仿生柔性缝传感器奠定理论基础。 (3)基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)工艺，提出了一套可控量程柔性缝传感器的设计方法。制备了仿生可控量程缝传感器，通过扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)观察，其缝单元清晰可见，且尺寸分布完全符合设计，验证了所提制备工艺可靠且有效。对制备的传感器进行性能指标测试，实验结果显示，其量程范围为0.18mm～1.78mm，灵敏度GF值为4000～9000，经历20000次循环后的性能依旧稳定。 (4)最后，结合多分类支持向量机(Support Vector Machine，SVM)方法，对所提传感器的精密检测识别能力进行了应用实验。通过对不同微观表面形貌的纺织品进行分类识别，结果显示，小量程、高灵敏的传感器对参数相近的纺织品具有较高的识别精度；大量程、低灵敏的传感器则具有较大的识别阈值，对所有纺织品都具有一定的识别能力。验证了所设计的不同量程传感器能够发挥各自的优势，具有实际工程应用价值。 综上，本文揭示了蝎子缝单元的定量应变响应机理，建立了缝单元定量应变响应模型以进行可控量程传感器的设计。基于MEMS的精准加工工艺，制备了仿生可控量程柔性缝传感器。对制备的传感器进行性能指标测试及应用实验测试，验证了所提模型及工艺的正确性，推动了仿生柔性缝传感器的工程应用进程。 收起