国家自然科学基金机械工程学科2022年度优秀结题项目（一）

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项目负责人: 牛士超

Email: niushichao@jlu.edu.cn

项目执行期: 2019年01月-2022年12月

依托单位: 吉林大学

项目批准号: 51875244

项目简介

非接触式传感技术因克服了传统接触传感技术固有缺陷，成为近年来传感技术一大热点，但其结构复杂、易受干扰且稳定性差，严重制约了其快速发展。师法自然，自然界中的蝴蝶翅膀能够通过其表面超精细光响应结构实现对多种物理量变化的快速、精准和非接触光谱响应，具有简单、高精度和抗干扰性。因此，本项目从仿生学的角度出发，以Morpho didius蝴蝶为主要研究对象，揭示了其对外部单一和多重刺激的光响应特性的多因素协同作用机制，提出了基于蝴蝶鳞片光响应特性的新型仿生非接触光敏检测元件的设计原则和方法，制造了一种具有类似“三明治”结构的超薄蝶翅仿生气体敏感功能表面，此外，还研发了具有自供能、防雾、自洁和减反多功能集成的仿生非接触传感器件。本研究为开发具有非接触快速和高精度检测功能的新型仿生非接触光敏传感器研究奠定理论和技术基础，对新型非接触光敏传感技术的基础研究和推广应用具有重要意义。

主要研究进展及创新点

（1）发现了典型蝴蝶鳞片在单物理场和多物理场条件下具有高灵敏度、高选择性和快速响应的特性（图1），完成了蝴蝶鳞片微观形貌表征，建立了其光学响应特征结构可视化模型，揭示了蝶翅鳞光响应表面对多物理量变化的光学传感特性机理与多因素作用机制，为仿生非接触传感器件设计和制造提供了理论依据。

图1 典型蝶翅鳞片微结构及其光响应特性（2）搭建了气敏性测试装置，测试了仿生气敏表面对氮气、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚、甲苯和二甲苯的气体响应特性；建立了基于“三明治”结构的机理模型，发现了仿生结构中填充气体折射率的不同导致了反射光谱中特征反射峰的显著变化，从而实现对不同气体的差异性响应（图2），成功构建出生物优异感知功能与其独特生物构造之间的“映射”关系。

图2 仿生微结构气敏特性机理（3）制造了仿蝴蝶鳞片表面光响应结构多变量非接触光学传感元件样品，对样品光响应结构特征参数及其光学特性进行了测试分析（图3），对试验方案进行了误差分析、参数修正、工艺优化，最终实现最优设计，该研究从仿生学的角度将可能开辟可以直接比色读取的高精度抗干扰的新型仿生非接触光敏传感器设计研究的新方向。

图3 仿生非接触传感元件模版制造及其气敏性能

项目取得的主要研究成果

(1)在Matter、Progress in Materials Science、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Materials Today、ACS Nano、Nano Energy等著名期刊共发表SCI检索论文17篇，其中，中科院一区期刊论文11篇，ESI高被引论文2篇，封面论文4篇；

(2) 申请国家发明专利共计8项，授权国家发明专利4项；

(3) 参加国内外学术会议14次，做国际会议邀请报告10次；

(4) 培养博士研究生7人，已毕业5人；硕士研究生7人，已毕业5人；

(5) 获吉林省青年科技奖、日内瓦国际发明展银奖等省部级奖5项。

(6) 获批国家优青项目1项；

责任编辑：李娜责任校对：金程审核：张强

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