表面部分电极含金属芯压电纤维：仿生气流与振动传感特性的深度剖析.docxVIP

表面部分电极含金属芯压电纤维：仿生气流与振动传感特性的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在自然界中，生物经过漫长的进化，发展出了极其精妙的传感系统，能够高效、准确地感知周围环境的各种变化。例如，蟋蟀利用尾部纤维状的毛发感受器感知气流变化，从而获取捕食者、寄生虫或求偶等关键信息，其毛发在气流振动下的偏离方向，可指示其他动物逼近的方位，帮助蟋蟀判断来犯天敌的追捕方向，以做出及时的防御或逃避反应。墨西哥红尾捕鸟蛛步足的腿节和胫节上着生的听毛，是一种重要的感觉毛，内连神经树突末梢，最初被认为仅具有听觉功能，但后来研究发现，它能够远距离感知周围气流波动和低频率空气震荡，在网上定位、探测气流和保持肌肉紧张等方面发挥着重要作用。这些生物的传感特性为人类的工程技术发展提供了丰富的灵感源泉。

随着科学技术的飞速发展，人们对传感器的性能要求越来越高，希望其能够实现更精确、更灵敏的检测，并且具备微型化、集成化和多功能化的特点。模仿昆虫毛发感受器机制制备的人工毛发传感器，成为了满足这些需求的研究热点之一，其在机器人等领域展现出了巨大的应用潜力，能够使机器人更加敏锐地感知周围环境，提高其在复杂环境中的适应性和交互能力。

压电传感器由于具有体积小、质量轻、响应速度快、频响范围宽以及直接的机电转换性能等优点，在振动测试领域得到了广泛的研究与应用。压电薄膜、压电纤维等新型结构器件，更是顺应了传感器技术向微型化、集成化和多功能化发展的趋势，成为当前压电传感器的重要研究方向。含金属芯压电纤维作为一种新型的压电传感器，具有独特的结构和性能优势，例如可以集成在更加复杂的表面，每根纤维能够独立工作，提高系统的鲁棒性，并且不受分布基底电介性能的限制，具有快速自适应和动态响应的特点，在仿生气流传感器、可穿戴智能织物和工程结构健康监测等领域展现出了广阔的应用前景。

本研究聚焦于表面部分电极含金属芯压电纤维的仿生气流与振动传感特性，旨在深入探究其传感机制，揭示结构参数与传感性能之间的内在联系。通过对该压电纤维的系统研究，有望开发出性能更优异的仿生气流与振动传感器，为机器人、可穿戴设备、生物医学监测、航空航天、智能交通等众多领域提供关键的技术支持，推动相关领域的技术进步与创新发展，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2研究现状

在仿生传感器领域，国内外学者进行了广泛而深入的研究。同济大学化学科学与工程学院的研究团队成功开发出一种基于共价有机框架（COFs）的发光传感器，能够同时监测听觉、味觉和嗅觉信息，为多模态感知提供了新的解决方案。该研究利用COFs材料的独特性质，实现了对多种感官信息的高效检测，拓展了仿生传感器的应用范围。同济大学闫冰教授团队受到警犬气味敏感性的启发，模仿狗鼻子的结构，设计了一种基于二维氢键有机框架纳米片（CAM-PPAHOF）的光致发光传感器，实现对非法药物类似物的超灵敏检测。该传感器引入磷光与荧光双信号，大大提高了检测的准确性和选择性，为非法药物检测提供了新的有力工具。伦敦大学学院宋文辉教授团队开发了一种基于压电纳米纤维与人工智能(AI)的仿生智能听觉系统，该系统利用神经网络辅助下压电纳米纤维声波传感器来处理声音，模拟人类听觉系统对声音的捕获、处理和理解方式，突破了传统声学器件的物理局限。

在压电纤维方面，麻省理工学院的研究人员利用压电纤维开发出主动降噪织物，这种由压电纤维制成的特制织物能够通过振动抵消传入的声音，或像镜子一样将声音反射回声源，在降噪领域展现出了独特的应用潜力。苏州大学的研究团队利用四通道微流控湿法纺丝技术制备出具有柔性、可拉伸性、机械性能稳定性和优良电学输出性能的压电纤维，该纤维在声学应用中十分灵敏，能够轻松捕捉到从安静到繁忙环境范围内的各种可听声音。然而，目前对于表面部分电极含金属芯压电纤维的研究还相对较少，尤其是在其仿生气流与振动传感特性的深入研究方面还存在诸多不足。现有研究在纤维的结构优化、传感性能的精准调控以及多场耦合作用下的传感机制等方面仍有待进一步探索。

1.3研究内容与方法

本研究围绕表面部分电极含金属芯压电纤维的仿生气流与振动传感特性展开，主要研究内容包括以下几个方面：首先，研究表面部分电极含金属芯压电纤维的制备方法，通过改进现有工艺或探索新的制备技术，制备出性能优良、结构稳定的压电纤维，为后续的研究提供基础。其次，建立表面部分电极含金属芯压电纤维的气流与振动传感理论模型，基于压电方程和振动理论，分析纤维在不同激励条件下的响应特性，深入探究结构参数如表面电极分布角度、纤维长度等对传感性能的影响规律。再者，利用数值模拟方法，如有限元分析等，对压电纤维的传感特性进行模拟仿真，进一步验证理论模型的正确性，并通过模拟结果优化纤维的结构设计。然后，搭建实验平台，对制备的压电纤维进行气