综述：从表面结构到界面工程：基于生物启发的微纳结构柔性传感器的制造方法综述

《Sensors and Actuators A: Physical》：Bioinspired fabrication of micro- and nanostructured flexible sensors from surface architecture to interface engineering: A review

仿生微纳米结构为柔性传感器性能提升提供了新策略，通过动物（蜘蛛、蝎子）和植物（捕蝇草）等自然界的表面结构设计（金字塔、半球、裂纹等）与界面机械互锁技术结合，增强应力/应变传感灵敏度与器件稳定性，在医疗监测、人机交互等领域展现潜力，但材料创新、结构规模化制备及长期可靠性仍是挑战。

　　在现代科技快速发展的背景下，柔性传感器作为连接人机交互的重要桥梁，正逐步成为人工智能、生物医学和电子信息技术等领域的关键组成部分。随着人们对可穿戴设备和智能材料的需求日益增长，如何提升柔性传感器的感知性能成为研究的热点。本文通过探讨生物启发的微纳结构，从微观到宏观层面揭示了自然界中生物结构与传感器性能之间的内在联系，并系统地总结了当前在这一领域取得的重要进展和未来发展方向。

生物启发设计的核心理念是借鉴自然界中生物体的结构、功能和适应机制，将这些灵感转化为工程材料和技术。这种跨学科的研究方法不仅能够推动材料科学的进步，还为传感器设计提供了全新的思路。自然界中的许多生物体，如蜘蛛、蝎子、树蛙、捕蝇草、合欢树和猪笼草等，都具备独特的感知能力，其结构特征往往能够提供高效的信号采集和传输方式。这些结构不仅在形态上具有高度的适应性，还能够在复杂的环境条件下保持良好的稳定性和响应性。因此，研究这些生物结构的微观与纳米级特征，对于开发高性能的柔性传感器具有重要意义。

在生物启发的结构设计中，动物和植物的灵感来源有所不同。动物的结构通常与运动、感知和生存策略密切相关，例如蜘蛛和蝎子的振动感知器官，能够通过微小的结构变化捕捉外界的振动信号。这些结构通常由微裂纹组成，当外界施加力时，微裂纹的反复开合会产生显著的电信号变化，从而提高传感器的灵敏度。而植物的结构则更多地与生长、形态调控和环境适应有关，如捕蝇草的闭合机制和合欢树的卷曲结构，这些特性可以被应用于设计自适应的柔性传感器，使其在复杂的形变条件下依然保持良好的性能。

基于生物启发的结构设计，当前的研究主要集中在几个关键方向。首先是几何结构的优化，如金字塔形、球形、柱形和锥形等，这些结构在压力传感器中表现出优异的性能。例如，金字塔形结构能够通过其几何特性增强力敏感信号的采集能力，而球形结构则可以提供更均匀的接触压力分布。这些结构的引入不仅提高了传感器的响应速度和灵敏度，还增强了其在不同应用场景下的适应性。其次是裂纹和褶皱结构的应用，这些结构在应变传感器中具有独特的价值。裂纹结构能够通过其动态变化实现对微小形变的精确感知，而褶皱结构则可以通过形变时的应力分布优化，提高传感器的稳定性和耐用性。

此外，界面工程在提升柔性传感器的性能方面也起到了至关重要的作用。自然界的许多生物结构，如树木的根系、寄生虫的钩状结构、传统建筑中的榫卯结构以及珍珠层之间的桥接结构，都展现了高度的机械互锁特性。这种互锁机制不仅能够增强结构的稳定性，还能在材料形变过程中实现快速的能量回收和释放，从而维持传感器的最佳响应范围。在柔性传感器的设计中，引入类似的互锁结构可以有效解决传统传感器在复杂形变条件下可能出现的分层或脱落问题，提高其在实际应用中的可靠性。

值得注意的是，生物启发的微纳结构在不同应用场景下展现出多样化的潜力。例如，在健康监测领域，柔性传感器可以通过模仿人体皮肤的特性，实现对生理信号的实时采集和分析。在人机交互方面，这些传感器能够提供更自然、更直观的反馈机制，增强用户体验。而在运动检测和智能服装等领域，生物启发的结构设计能够提升传感器的适应性和灵敏度，使其在动态环境中保持稳定的性能。因此，生物启发的柔性传感器不仅在技术层面具有突破性，也在实际应用中展现出广阔的发展前景。

然而，尽管生物启发的柔性传感器取得了诸多进展，仍然面临一些关键挑战。首先，如何在大规模生产中保持结构的精确性和一致性，是当前研究的重点之一。由于微纳结构的复杂性，传统的制造工艺可能难以满足高精度、低成本和高可靠性的要求。其次，材料的选择和性能优化仍然是一个难题。生物启发的结构需要与特定的材料体系相结合，以实现最佳的传感效果。因此，开发具有高灵敏度、良好机械性能和稳定性的新型材料，是提升柔性传感器性能的关键。此外，如何在实际应用中克服环境因素对传感器性能的影响，如温度波动、湿度变化和长期使用导致的材料老化，也是需要深入研究的问题。

在生物启发的柔性传感器研究中，设计和制造过程的创新尤为关键。近年来，研究人员不断探索新的制造技术，如激光微纳加工、3D打印和自组装技术，以实现更精细的结构控制。这些技术不仅能够提高传感器的制造精度，还能够降低生产成本，使其更易于大规模应用。同时，通过引入仿生学原理，可以优化传感器的结构设计，使其在复杂形变条件下依然保持良好的工作性能。例如，蛇形和螺旋形结构的引入，可以增强传感器在拉伸和弯曲过程中的适应能力，提高其在动态环境中的稳定性和灵敏度。

为了推动生物启发的柔性传感器技术的发展，未来的研究方向应更加注重跨学科的融合与创新。一方面，需要加强材料科学与生物工程的结合，开发新型的复合材料和结构体系，以满足不同应用场景的需求。另一方面，还需要深入研究生物结构的机械特性及其在传感器中的表现，探索更高效的结构设计方法。此外，随着人工智能和大数据技术的发展，如何将生物启发的传感器与智能算法相结合，实现更智能化的数据处理和反馈机制，也是值得关注的方向。

总之，生物启发的微纳结构为柔性传感器的发展提供了全新的思路和方法。通过借鉴自然界中生物体的结构和功能，可以显著提升传感器的感知性能和适应能力。然而，要实现这一技术的广泛应用，仍需克服材料制备、结构优化和制造工艺等方面的挑战。未来，随着研究的不断深入和技术的持续创新，生物启发的柔性传感器有望在更多领域发挥重要作用，为人类的智能生活和健康监测提供更强大的技术支持。