吉林大學韓志武教授團隊：受蝎子體表機械量感受器啟發的高效機電能量轉化微納系統仿生設計策略

Alisa 4年前 (2019-05-27) 5688瀏覽

【成果簡介】

研究亮點：

1.通過理論分析與試驗觀察，證明了蝎子體表機械量感受器首先借助抗斷裂裂紋尖端的能量集中效應高效收集微弱信號中的機械能，進而通過感知神經元將機械能轉化為電能。

2.從能量轉化的角度，對生物機械量感受器與工程機電能量轉化微納系統進行了類比分析，首次提出了一種將具有能量集中效應的結構與納米壓電材料相結合的仿生機電能量轉化微納系統設計新策略。

3.將壓電材料集成在可控裂紋尖端的應力場內，并借助斷裂力學的理論對其輸出的電信號進行了分析，驗證了機電能量轉化微納系統仿生再現可行性。

在工程領域，裂紋被視為一種典型的缺陷，因為裂紋的存在會將構件體內分散的機械能以極高的效率聚集在裂紋尖端納米尺度應力場內，進而導致材料發生災難性的斷裂失效。然而，吉林大學韓志武教授團隊針對蝎子體表機械量感受器的研究發現，與人類認知相反，蝎子在億萬年的進化過程中，為了能夠在惡劣的自然環境下生存，已經進化出了兼顧感知結構（裂紋）安全性與感知功能靈敏性的機制，巧妙地利用了“危險”裂紋尖端應力場奇異的能量集中效應，在防止原有特定尺寸裂紋結構進一步擴展的前提下，實現了微弱振動信號的超敏感知。打破了人們對裂紋尖端能量集中效應有百害而無一利的認知。從能量轉化的角度，基于裂紋的超靈敏機械量感受器可以被視為一種高效的機電能量轉化微系統，因為在整個感知過程中感受器首先借助裂紋尖端的能量集中效應將信號中分散的機械能高效的聚集在微納尺度區域內，進而通過感知神經元將匯集的機械能全部轉化為電能，即實現了機械量信號到生物電信號的高效轉化。

在工程領域，基于壓電材料的機電能量轉化微納系統（如納米發電機、超靈敏機械量傳感器、自供電便攜式可穿戴設備）與蝎子的機械量感受器功能類似，都需要將周圍環境中的特定類型的機械能轉化成電能。目前機電能量轉化微納系統面臨的重大技術難題之一是如何在減小器件整體尺寸的同時最大限度的提高機械能到電能的轉化效率。而本文關于蝎子機械量感受器高效機電能量轉化機理的研究，為解決機電能量轉化微納系統面臨的能量轉化效率低的難題提供了全新的仿生設計策略：首先借助裂紋尖端的能量集中效應將分散的機械能高效的收集起來，進而借助集成在裂紋尖端應力場的壓電材料將收集的機械能高效的轉化成電能。

相關工作以“Highly efficient mechanoelectrical energy conversion based on the near-tip stress field of antifracture slit observed in scorpions”為題，并以封面論文的形式發表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.201807693）。吉林大學的韓志武教授為通訊作者，王可軍博士和張俊秋副教授為共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1. 蝎子體表機械量感受器的結構特征。圖片來源：Advanced?Functional Materials