仿昆虫微型光学天线实现超灵敏多感官感知

昆虫进化出具有超灵敏触觉、听觉和嗅觉的高度优化触角。尽管模仿昆虫触角为实现先进传感能力提供了前景，但开发一种能与机器人系统集成的微型人工多感官超灵敏天线仍具挑战。本文报道了一种仿生微型光学天线（MOA），其结构和功能与生物触角相当，它利用封装在功能化聚合物膜中的光学微纳米纤维（MNF）进行传感和信号传输。通过测量外部刺激引起的MNF导光辐射或吸收，MOA实现了超灵敏、快速响应且低功耗的触觉、听觉和嗅觉传感。研究进一步展示了将约0.1克的MOA模块安装在扑翼飞行机器人和类昆虫地面机器人上，实现了机器人的多感官感知和自主操作。这项工作可能为微型多功能传感系统铺平道路，该系统可配置用于广泛的技术应用。

微型传感器在小型机器人、生物医学监测和精密操作等多种应用中需求日益增长。在微尺度集成多种传感模式能让传感器在保持小尺寸和低功耗的同时增强功能。昆虫的紧凑型触角就集成了超灵敏的触觉、听觉和嗅觉能力，模仿昆虫触角可为开发具有超灵敏多感官感知的微型传感器提供新范式。虽已有模仿昆虫触角的传感装置报道，但将多感官能力集成到单个微型传感器（如能与小型机器人机载集成）仍具挑战。此外，电子结构微型化通常会导致电阻、延迟、噪声和串扰增加，进一步增加了开发小尺寸、低功耗、超灵敏多感官微型传感器的难度。

与可能存在欧姆损耗和慢阻容响应的电路相比，光纤系统通常具有低损耗、快速响应、宽带宽和抗电磁干扰等优点，这些优点在亚微米直径的光纤中仍能保留。例如，由标准光纤拉制的二氧化硅微纳米纤维（MNF）具有优异的光学和机械性能，包括小尺寸（直径约1μm）、低光损耗（如<0.03 dB/m）和高拉伸强度（如>10 GPa），非常适合开发紧凑、低功耗和 robust 的微光学器件。同时，MNF有大量光以倏逝波形式存在于光纤外部，对机械和化学刺激高度敏感，因此在传感应用中极具潜力。目前已开发出基于MNF的各种触觉传感器、超声波传感器和生化传感器，但实现与生物触角相当且能与机器人系统集成的微型MNF基多感官装置仍具挑战。

本文报道的仿生微型光学天线（MOA）由单根MNF（模拟感觉和传输神经）和起受体作用的聚合物膜组成，通过表面张力驱动技术可控且可靠地制造。它的特点是MNF悬臂封装在超薄聚合物膜中，整体结构和物理尺寸（约100μm大小，约1mg质量）与蝴蝶触角相似。MOA通过检测外部刺激引起的MNF导光辐射或吸收，成功实现了与生物触角功能相当的超灵敏、快速响应且低功耗的触觉、听觉和嗅觉传感。利用多波长检测方案，单个MOA能同时检测多感官刺激，且串扰最小。研究开发了集成数据采集/处理、机器人驱动/控制和无线通信的MOA系统，使扑翼飞行机器人和类昆虫地面机器人能有效感知多感官刺激，并基于实时MOA信号执行自主操作。这种受昆虫启发的MOA为开发先进微型传感装置提供了有前景的策略，可轻松配置用于超灵敏检测分析以及机器人感知与控制等应用。