《IEEE TIM》北京航空航天大学单光存团队：基于铁基非晶薄带的仿生触须传感器

猫咪的胡须、鱼的侧线、蝎子的蛊毛……自然界亿万年的进化造就了无数精妙的生物触觉系统。相比电子皮肤，仿生触须传感器在切向力检测方面具备天然的优势，并且对微弱力信号的检测能力更强。仿生触须传感器已经成功应用于移动机器人的非视觉自主避障、水下目标尾流场感知，在灾后搜救、航空航天、水下探索等领域有着广阔的应用前景。

日前，北京航空航天大学/香港城市大学单光存教授团队联合西南交通大学李鑫博士团队，开发了一种基于铁基非晶薄带的仿生触须传感器，基于铁基非晶薄带的应力阻抗效应实现优异的微弱力信号检测能力，可感知1 µL水滴重力及气流信号。相关研究成果以“Bioinspired Cilia Tactile Sensor Based on Soft Magnetic Amorphous Ribbon”为题在《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》期刊上发表。

铁基非晶薄带不仅具有优异的软磁性能（易被磁化），还具备出色的机械柔韧性。随着电子皮肤的蓬勃发展，仿生触须传感器因其卓越的切向力检测能力而备受关注。然而，开发结构简单、可靠性高的高灵敏度仿生触须传感器仍面临挑战。在近期发表的工作中，研究人员将铁基非晶薄带同时用作人工纤毛和磁测量单元的磁芯，基于其应力阻抗效应实现“力-磁-电”的高效转换。触须传感器实现外加机械刺激到电信号映射的基本原理为：在交流电的激励下，铁基非晶薄带受到外力作用产生弯曲形变；产生的应力将改变材料内部磁畴结构，从而改变材料有效磁导率，使得交流阻抗产生变化。该触须传感器高度集成，无需永磁体作为磁场源。实验结果表明，该触须传感器能够检测低至1 μL水滴重力（约10 μN、3.3 Pa）；经2000次循环弯曲测试，信号稳定性无显著衰减；成功捕捉人体呼吸气流信号。值得一提的是，该传感器研究是在团队前期基于材料基因工程理念使用数据驱动方法的设计开发的铁基非晶合金材料的基础上开发得到（Xin Li, et al. Applied Materials Today 2023, 35, 101977）。这项研究为磁性非晶合金的传感器应用、仿生传感器研究提供了新思路。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10914543

doi: 10.1109/TIM.2025.3545527

团队介绍

单光存，北京航空航天大学教授、博士生导师，香港城市大学原校董，Sustainable Horizons期刊和Frontiers of Physics期刊编委、美国物理联合会RSI（科学仪器评论，仪器科学类 Top  SCI 期刊）副主编。研究兴趣包括机器学习加速的功能材料设计和材料基因工程，水下智能机器人及海洋无人系统，以及面向医疗健康应用的柔性电子技术和通用人工智能技术（AI4S）等。近年来他荣获2018年香港王宽诚教育基金会奖励资助、2019年全国高校人工智能大数据“人物创新奖”、2022年中国产学研合作创新奖、2022年度5G创新人物、2023年IAAM协会科学家奖章、中国有色金属学会高等教育教学成果奖励计划二等奖、2023年中国航空学会技术发明奖和2023年中国产学研合作创新成果奖等；其中，在海洋放射性环境应急监测方面的科研成果荣获2022年国际跨界创新挑战赛(FALLING WALLS Lab)北京赛区第三名和中关村国际前沿科技大赛绿色低碳赛道TOP10奖章等。