“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”專項項目陸續(xù)啟動

激光高溫濕度傳感器

2017年9月19日，科技部“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項”——“面向復(fù)雜工況的激光高溫濕度傳感器研制及產(chǎn)業(yè)化”項目啟動儀式在北京召開。

據(jù)悉，針對我國環(huán)保、工業(yè)過程控制等多個領(lǐng)域高溫濕度準(zhǔn)確測量的難題，項目組計劃用兩年時間，圍繞測量環(huán)境濕度大、工況干擾因素多(腐蝕氣、靜電、煙塵、液滴等)、缺乏高溫高濕標(biāo)定技術(shù)及惡劣工況下器件可靠性等關(guān)鍵問題，突破濕度大動態(tài)范圍自適應(yīng)測量技術(shù)、復(fù)雜工況多波長測量控制技術(shù)及激光器溫度電流控制技術(shù)，研制工作溫度在20℃～350℃的激光高溫濕度傳感器，并最終實現(xiàn)產(chǎn)品化和工業(yè)化推廣應(yīng)用。該傳感器一旦研制成功，可提升我國高溫濕度監(jiān)測水平，提高環(huán)保排放測算準(zhǔn)確性、工業(yè)過程節(jié)能減排。

項目專家組負(fù)責(zé)人、我國著名激光和非線性光學(xué)專家、中科院院士姚建銓介紹，此次研究的激光濕度傳感器是基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS)實現(xiàn)濕度測量。相比于傳統(tǒng)測量方式，TDLAS技術(shù)在進(jìn)行高溫環(huán)境下的濕度測量時，具有無交叉干擾、測量范圍大、精度高、實時測量等優(yōu)勢，可實現(xiàn)高溫濕度實時監(jiān)測。

據(jù)了解，該項目由北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司、中科院半導(dǎo)體研究所、中科院電工研究所、武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司共同完成。

大視場生物成像分析儀

2017年9月29日，科技部“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”重點專項——“大視場生物成像分析儀”項目啟動會在中科院南京天文儀器有限公司舉行。

該項目將由中科院南京天文儀器有限公司牽頭，聯(lián)合中科院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所、蘇州國科醫(yī)療科技發(fā)展有限公司、中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所、中檢國研（北京）科技有限公司、武漢大學(xué)、吉林師范大學(xué)、廣東科鑒檢測工程技術(shù)有限公司等8家單位共同承擔(dān)。

據(jù)項目負(fù)責(zé)人、中科蘇州醫(yī)工所研究員董文飛介紹，稀有細(xì)胞和痕量病原微生物對疾病檢測、生殖健康、環(huán)境衛(wèi)生和國家安全等方面有十分重要的影響，“大視場生物成像分析儀”項目基于對稀有細(xì)胞快速檢測的需求，通過攻克大視場高分辨離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、大面陣高分辨探測器和大面積單層細(xì)胞推片技術(shù)等三個關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)新型大視場高分辨生物成像分析儀。

該項目儀器研制技術(shù)路線采用模塊式結(jié)構(gòu)，包括大視場高分辨光學(xué)成像系統(tǒng)、大面陣高分辨探測器、大面積單層細(xì)胞推片機、自動識別快速軟件、樣品前處理、大面陣多光譜光源和運動控制模塊等模塊，同時開展在稀有細(xì)胞快速檢測方面的應(yīng)用示范，為儀器的工程化產(chǎn)業(yè)化及大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該項目如果研制成功，將填補國內(nèi)市場空白，驗收三年內(nèi)預(yù)期年產(chǎn)值可達(dá)3000萬元，極大帶動科學(xué)儀器系統(tǒng)集成創(chuàng)新，有效提升我國高端生物成像儀器設(shè)備行業(yè)整體創(chuàng)新水平與自我裝備能力。

我國誕生首個專業(yè)傳感技術(shù)檢測平臺

9月25日，由中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(“SIA聯(lián)盟”)與常州市共同組建的國內(nèi)首家“傳感技術(shù)檢測公共服務(wù)平臺”正式落戶常州智能傳感小鎮(zhèn)。

據(jù)悉，平臺將下設(shè)研究院，從汽車電子等領(lǐng)域切入，側(cè)重模組、應(yīng)用端領(lǐng)域的產(chǎn)品檢測，打造全國傳感器產(chǎn)業(yè)高地。平臺將結(jié)合常州市汽車及零部件、太陽能光伏、新醫(yī)藥、智能數(shù)控和機器人等幾大產(chǎn)業(yè)鏈的需求，以汽車電子及傳感器為核心，兼顧消費類和生物醫(yī)療等領(lǐng)域，提高傳感器和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域產(chǎn)品的檢測能力，解決企業(yè)急需的產(chǎn)品性能測試、可靠性測試、失效性測試、環(huán)境模擬測試等問題，以打開市場高技術(shù)門檻、幫助中小企業(yè)快速成長，提升自主品牌的競爭力。

SIA聯(lián)盟副秘書長朱佳琪介紹，“在檢測領(lǐng)域，中國還沒有一家專門的傳感器檢測平臺，這對大公司當(dāng)然不是問題，但小公司搭建自己檢測平臺的成本是非常昂貴的;聯(lián)盟正是看到這個痛點，才支持常州構(gòu)建技術(shù)服務(wù)平臺，這不僅是為常州發(fā)展傳感器提供凝聚力，也是聯(lián)盟切實履行推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的使命?！?/p>

海底AI革命中的仿生機器人

2017年9月27日 出版 的Science Robotics雜志第10期封面刊登報道了由北京航空航天大學(xué)、哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)聯(lián)合啟動的一項科研項目，利用3D打印技術(shù)制作鮣魚仿生機器人，來幫助對海洋生物的研究。根據(jù)已完成的樣機測試，機器人吸盤的吸附力相當(dāng)可觀，能在光滑表面產(chǎn)生相當(dāng)于自重約340倍、粗糙表面上自重約100倍的吸附力，卻不會對吸附表面造成破壞。

目前，水下機器人的研發(fā)存在一個難題——它很難在水里實現(xiàn)自主抓取的任務(wù)，而來自鮣魚順勢吸附的靈感為解決這個難題打開了新的思路。

研究人員利用3D打印和激光切割技術(shù)設(shè)計出這款仿生機器人。其中，最精巧復(fù)雜的部分就是魚頭部位的吸盤。吸盤由三部分組成： 吸盤外周的唇圈，由柔性的肌原纖維組成，主要產(chǎn)生負(fù)壓；吸盤內(nèi)部的硬質(zhì)鰭片結(jié)構(gòu)，外表包裹厚度約500μm的軟組織，可由肌肉驅(qū)動產(chǎn)生法向微動；鰭片上的錐狀小刺結(jié)構(gòu)，底部直徑約200μm，頂端為1～5μm。其內(nèi)部有2000個微型的小刺，按照附著面凹進(jìn)或凸起從而令吸盤能吸附在各種海洋生物的體表。課題組借助高精度激光加工技術(shù)，加工出了尺度、形狀都和真實吸盤結(jié)構(gòu)高度近似的硬質(zhì)小刺，并嵌入到復(fù)合材料的樣機鰭片中。此外，課題組還制作了輕量化、防水的纖維增強軟體直線驅(qū)動器，實現(xiàn)了吸盤內(nèi)部鰭片的微動，其幅度約為150μm。

“這種‘搭便車’行為最大的優(yōu)點，就是能有效減少運動消耗的能量?！毖芯啃〗M的文力教授表示，“通過將仿生樣機集成到水下機器人上，實現(xiàn)類似 魚的游動-吸附-脫離。這項研究工作不但從生物力學(xué)角度揭示了魚的吸附機制，同時為未來的低功耗水下仿生軟體機器人、水下吸附裝置提供了新的思路?！?/p>

此項應(yīng)用在軍民領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景，如國防科技、水下救援、海洋生態(tài)檢測等方面。

變形可控的液態(tài)金屬能讓終結(jié)者成為現(xiàn)實嗎？

如果說哪個機器人形象最讓人印象深刻的話，《終結(jié)者2號》中那個可以在液態(tài)與固態(tài)間自由變換的終結(jié)者T-1000一定當(dāng)之無愧。而英國薩塞克斯大學(xué)和斯旺西大學(xué)的研究人員在朝向制作出真正的液態(tài)金屬機器人邁出了一步，他們找到了一種辦法，通過電場讓液態(tài)金屬變身為各種二維形狀，如字母和心形等。

研究人員表示，盡管這一研究還處于初級階段，距離終結(jié)者還有相當(dāng)相當(dāng)長的距離，但其已經(jīng)展示出了在計算機圖形處理、智能電子設(shè)備、軟體機器人以及柔性顯示屏等多方面的應(yīng)用潛力。

最新發(fā)現(xiàn)表明，液態(tài)金屬是“一種潛力巨大的新材料”，它們獨特的屬性包括表面張力可由電壓控制、高導(dǎo)電性以及室溫下液態(tài)—固態(tài)相變。用編程的方式，讓其實現(xiàn)多種變形，為研制出軟體機器人和變形顯示器開辟了新的可能性。這是否意味著，即使暫時無法制作終結(jié)者，至少未來的電腦和手機將有可能突破固有模型，變身為任何我們希望他的模樣？

研究成員思睿拉姆·賽布萊恩說：“我們和很多其他研究人員的愿景是，通過數(shù)字操控的方式，改變其物理性狀、外觀和功能，制造出功能遠(yuǎn)超現(xiàn)有顯示器或機器人的、更為智能靈活的設(shè)備。”

高拉伸、高靈敏的可穿戴柔性傳感器

可穿戴柔性傳感器能貼附于各種不規(guī)則物體表面，已成為未來發(fā)展智能材料的重點研究方向，在人機交互系統(tǒng)、電子皮膚、人體運動行為監(jiān)測系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，柔性傳感器的可拉伸性及靈敏度是傳感器材料重要的性能指標(biāo)，能否兼具柔韌性和準(zhǔn)確性，同時實現(xiàn)高可拉伸性和高靈敏度仍是目前面臨的挑戰(zhàn)。

深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)材料研究中心汪正平與孫蓉領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在柔性材料的研究中取得多項成果。

Materials Chemistry C雜志公布了他們的一項最新研究成果——一種低成本、高拉伸、高靈敏度的柔性應(yīng)變傳感器。研究人員利用聚氨酯海綿經(jīng)過數(shù)次吸附還原過程制得導(dǎo)電性良好的石墨烯包覆聚氨酯海綿，通過電沉積方法，在其表面包覆一層帶有微裂紋的金屬鎳，利用柔性聚合物封裝方式制備出了鎳/石墨烯包覆的聚氨酯海綿柔性應(yīng)變傳感器。該制備方法簡單、成本低，并將電化學(xué)方法引入了傳感器的制備中，提高了其靈敏度。該柔性應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出了良好的性能：寬應(yīng)變范圍（0%～65%）、高靈敏度（36.03～3360.09）、快速響應(yīng)時間（＜100ms）、高可靠性（1000次拉伸及彎曲循環(huán)）。將該傳感器應(yīng)用于人體手指彎曲活動監(jiān)測以及面部肌肉拉伸監(jiān)測等，展示了其在柔性可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域的良好應(yīng)用價值。

在線發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上的另一篇論文則報告了一種新型的柔性壓力傳感器。由于微結(jié)構(gòu)不僅能夠提高傳感器的靈敏度，還能更快地恢復(fù)傳感器的彈性形變，具備快速響應(yīng)能力，因此，構(gòu)建微結(jié)構(gòu)是提高柔性壓力傳感器綜合性能的有效途徑。研究人員利用聚合物膠體微球自組裝陣列作為模板，通過兩步復(fù)制制備了具有微凸點陣列的柔性基底。該研究采用的全化學(xué)法，無需依賴昂貴的光刻設(shè)備及復(fù)雜的光刻工藝，具有制備工藝簡單、成本低，可通過膠體微球粒徑的選擇來調(diào)控柔性基底微凸點的尺寸等優(yōu)勢。所制柔性壓力傳感器具有高靈敏度、快速的響應(yīng)時間和良好的穩(wěn)定性，對低壓段壓力具有較強靈敏性等特點。

聚合物膠體微球陣列與復(fù)制得到的微陣列結(jié)構(gòu)PDMS柔性基底

高性能的柔性應(yīng)變傳感器——非晶合金皮膚

電子皮膚的基本單元是柔性應(yīng)變傳感器。然而，現(xiàn)有的應(yīng)變敏感材料，由于導(dǎo)電性差、能耗高、制作工藝復(fù)雜、成本高等缺點，極大地限制了電子皮膚的實際應(yīng)用。所以，尋找新型應(yīng)變傳感材料迫在眉睫。

在國家自然科學(xué)基金及973項目基金的資助下，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）極端條件實驗室咸海杰等研究人員最近在Applied Physics Letters發(fā)表了其最新研制的一種基于非晶合金薄膜的新型柔性應(yīng)變傳感器——非晶合金皮膚（Flexible strain sensors with high performance based on metallic glass thin film）。

非晶合金皮膚是通過離子束濺射方法將 Zr55Cu30Ni5Al10等非晶合金薄膜直接生長在柔性塑料（PC）襯底上得到的。通過對薄膜厚度的調(diào)控可以視覺上變得“透明”。

對該傳感器進(jìn)行的壓阻效應(yīng)測試結(jié)果表明，材料應(yīng)變系數(shù)為2.86，具有較大的可探測應(yīng)變范圍（1% 或 180 彎曲角)，良好的導(dǎo)電 性（電導(dǎo)率>5000 S/cm），電阻與應(yīng)變之間有近乎完美的線性關(guān)系，穩(wěn)定性好，極小的電阻溫度系數(shù)（9.04×10-6/K），良好的重現(xiàn)性和重復(fù)性(1000多次)。同時，與傳統(tǒng)晶態(tài)金屬材料相比，彈性范圍有很大的提高（室溫下的理論彈性極限為4.2%）。有明顯的抗菌性等特點，可用于醫(yī)療應(yīng)用。另外，制備方法簡單，制造成本低，可忽略不計的能耗。所有這些特性都是實際應(yīng)用中電子皮膚所必須的，所以利用非晶合金雙眼皮膚的這些獨特性質(zhì)，有望推動電子皮膚的早日實際應(yīng)用，同時也為非晶合金材料的應(yīng)用開辟新的途徑。

新型可穿戴汗液傳感器穩(wěn)定性更進(jìn)一步

可穿戴汗液傳感器的研究是可穿戴健康電子設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展的重點之一，而微型化、集成化的全固態(tài)離子選擇性電極和全固態(tài)參比電極，是檢測汗液中電解質(zhì)離子濃度的核心傳感技術(shù)。針對這個問題，蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽小組，利用MEMS微納加工技術(shù)設(shè)計制備了一種以微孔陣列為模板的電極芯片，采用一步電沉積法制備了大比表面積且可調(diào)控的三維金納米結(jié)構(gòu)離子/電子傳導(dǎo)陣列電極，相比較基于碳納米管、石墨烯、多孔碳等材料制備的離子/電子傳導(dǎo)層，具有制備簡單、重復(fù)性好等優(yōu)勢。

據(jù)悉，使用這種電極芯片構(gòu)建的全固態(tài)離子選擇性電極具有穩(wěn)定的電位響應(yīng)靈敏度（56.58±1.02mV/decade）、快速響應(yīng)時間（<10s）和寬線性范圍（10-6～10-1mol/L），傳感器的電位漂移和水層干擾影響減小。通過優(yōu)化參比電極聚合物膜和鹽的組分，在傳感器芯片上集成了基于聚合物/氯化鉀的全固態(tài)參比電極，獲得的微型化參比電極芯片具有平衡時間短，對不同種類和不同離子強度電解質(zhì)干擾響應(yīng)小，對光不敏感，在pH 3～10范圍內(nèi)響應(yīng)穩(wěn)定，具有長期穩(wěn)定性等優(yōu)勢。

可穿戴“導(dǎo)汗帶”汗液傳感器設(shè)備的照片和示意圖

同時，研究小組還設(shè)計了具有汗液采集、轉(zhuǎn)運和排出結(jié)構(gòu)的可穿戴“導(dǎo)汗帶”汗液傳感設(shè)備，將傳感器芯片與汗液導(dǎo)汗帶集成封裝，可舒適便捷地佩戴與人體額頭區(qū)域，可對人體運動過程中電解質(zhì)離子進(jìn)行實時連續(xù)地分析監(jiān)測。

新型紗線材料為可穿戴傳感器提供便捷電能

美國得克薩斯大學(xué)、韓國漢陽大學(xué)、中國南開大學(xué)的研究人員組成的一個聯(lián)合小組合作研發(fā)了一種名為“Twistron”的“紗線”材料，只要拉伸或扭轉(zhuǎn)就能實現(xiàn)自發(fā)電，有望在物聯(lián)網(wǎng)傳感器、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、海水發(fā)電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

《科學(xué)》雜志對此做了重點報導(dǎo)，認(rèn)為其適合為物聯(lián)網(wǎng)中上千萬的傳感器提供方便電能。同時，還可用于制造電子紡織品或可穿戴醫(yī)療設(shè)備。

“Twistron”本質(zhì)上是一種用碳納米管制成的無需要外加電源的電容器。發(fā)電前，將紗線在鹽水等電解質(zhì)溶液中浸泡，使電解質(zhì)中的離子附著到碳納米管表面。當(dāng)紗線被擰緊或拉伸時，碳納米管之間的距離變小，離子聚集到一起密度變大，就會將擰緊或拉伸過程中的機械能轉(zhuǎn)化為電能。

為了提高紗線的彈性，研究人員正不斷提高紗線的捻度，從而使得紗線呈類似彈簧的螺旋結(jié)構(gòu)。實驗證明，每千克紗線可產(chǎn)生250W的峰值電能，比其他將機械能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)高出100倍以上。測試中，一根重量小于家蠅的Twistron紗線，每次被拉伸后產(chǎn)生的電能可以點亮一個小型LED。

研究人員表示，由于這種紗線具有可擴展性，它們可在任何有可靠動能的地方使用。比如，待生產(chǎn)成本降低后，就可利用這種紗線制成巨大的能量收集裝置，采集海浪運動產(chǎn)生的能量。

南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點實驗室教授劉遵峰參與了新材料的研發(fā)。早在2015年，劉遵峰教授就曾在《科學(xué)》雜志上報道了使用同種細(xì)紗材料制成的彈性導(dǎo)線，用以制作監(jiān)測人體健康和運動的可穿戴設(shè)備。