基于增材微制造技术的人工纤毛实现360°方向敏感声学传感

本文创新性地采用电喷雾（electrospray）和3D微直接墨水书写（micro-direct ink writing）技术制备人工纤毛阵列，通过正交电极设计和电极间互联桥结构实现x-y平面360°声波方向检测。该传感器在103 Hz共振频率下灵敏度达68.3 mV·Pa-1，输出电压呈"8"字形方向响应特征，可解耦多声源频率、振幅与相位差异，为机器人听觉受体和人工耳蜗等微型化设备提供新方案。

　　

人工纤毛设计与仿生原理

受生物纤毛方向敏感特性启发，研究团队设计出具有金属钨核-压电锆钛酸铅（PZT）壳结构的一维人工纤毛。通过COMSOL模拟显示，当纤毛在0°方向摆动时，电极E-1表面产生从顶端到底部递增的负电压（最大82.8 mV），而正交分布的E-2电极因正负电荷中和无输出。这种各向异性响应源于d₃₁压电模式下壳体的非对称应变分布。

微纳制造技术创新

采用电喷雾技术在直径200 μm钨丝表面沉积30 μm厚PZT薄膜，形成长径比达173.9的核心结构。突破性使用流体牵引打印法在曲面垂直印刷50 μm宽银电极，并通过80°C热辅助液桥效应构建不同高度的电极互联桥。扫描电镜显示退火后银电极形成100-200 nm致密导电网络，压电灵敏度达7.62 V·N^-1。

共振增强效应调控

激光多普勒测振仪（LDV）证实40 mm长纤毛在103 Hz（E-1方向）和104 Hz（E-2方向）存在双共振峰，电压输出分别放大35.9倍和29.6倍。长度依赖性测试表明共振频率随纤毛长度增加而降低，10-50 mm长度范围内频率可从256 Hz调至89 Hz。这种特性使得传感器在105 dB声压级下能产生86.7 mV峰值电压。

360°方向解码机制

声学测试揭示独特的"8"字形方向响应：103 Hz激励下E-1在315°方向输出91.8 mV（灵敏度-32.3 dBV），而104 Hz时E-2在225°方向响应占优。相位分析显示0°激励时双电极相位差22.3°，45°时扩大至52.0°，这种方向依赖性源于电极桥高度差异导致的刚度矩阵各向异性。

多声源耦合检测

双扬声器实验证实传感器可区分180°分离的103/104 Hz声源，快速傅里叶变换（FFT）显示信噪比达40 dB。同频测试中，90°+180°双源激励使E-1/E-2电压比升至24.2（相位差11.1°），而180°+270°组合产生0.9电压比和192.8°相位差，验证了方向解耦能力。

应用前景与优化方向

该技术为微型机器人听觉和人工耳蜗提供新思路，未来可通过柔性材料阵列拓展频率响应范围。当前局限在于非共振频段灵敏度骤降，需结合低噪声前置放大器优化信噪比。这种矢量传感原理还可拓展至惯性导航和海洋流场监测领域。