吉林大学韩志武教授团队：受蝎子体表机械量感受器启发的高效机电能量转化微纳系统仿生设计策略

Alisa 5年前 (2019-05-27) 6121浏览

【成果简介】

研究亮点：

1.通过理论分析与试验观察，证明了蝎子体表机械量感受器首先借助抗断裂裂纹尖端的能量集中效应高效收集微弱信号中的机械能，进而通过感知神经元将机械能转化为电能。

2.从能量转化的角度，对生物机械量感受器与工程机电能量转化微纳系统进行了类比分析，首次提出了一种将具有能量集中效应的结构与纳米压电材料相结合的仿生机电能量转化微纳系统设计新策略。

3.将压电材料集成在可控裂纹尖端的应力场内，并借助断裂力学的理论对其输出的电信号进行了分析，验证了机电能量转化微纳系统仿生再现可行性。

在工程领域，裂纹被视为一种典型的缺陷，因为裂纹的存在会将构件体内分散的机械能以极高的效率聚集在裂纹尖端纳米尺度应力场内，进而导致材料发生灾难性的断裂失效。然而，吉林大学韩志武教授团队针对蝎子体表机械量感受器的研究发现，与人类认知相反，蝎子在亿万年的进化过程中，为了能够在恶劣的自然环境下生存，已经进化出了兼顾感知结构（裂纹）安全性与感知功能灵敏性的机制，巧妙地利用了“危险”裂纹尖端应力场奇异的能量集中效应，在防止原有特定尺寸裂纹结构进一步扩展的前提下，实现了微弱振动信号的超敏感知。打破了人们对裂纹尖端能量集中效应有百害而无一利的认知。从能量转化的角度，基于裂纹的超灵敏机械量感受器可以被视为一种高效的机电能量转化微系统，因为在整个感知过程中感受器首先借助裂纹尖端的能量集中效应将信号中分散的机械能高效的聚集在微纳尺度区域内，进而通过感知神经元将汇集的机械能全部转化为电能，即实现了机械量信号到生物电信号的高效转化。

在工程领域，基于压电材料的机电能量转化微纳系统（如纳米发电机、超灵敏机械量传感器、自供电便携式可穿戴设备）与蝎子的机械量感受器功能类似，都需要将周围环境中的特定类型的机械能转化成电能。目前机电能量转化微纳系统面临的重大技术难题之一是如何在减小器件整体尺寸的同时最大限度的提高机械能到电能的转化效率。而本文关于蝎子机械量感受器高效机电能量转化机理的研究，为解决机电能量转化微纳系统面临的能量转化效率低的难题提供了全新的仿生设计策略：首先借助裂纹尖端的能量集中效应将分散的机械能高效的收集起来，进而借助集成在裂纹尖端应力场的压电材料将收集的机械能高效的转化成电能。

相关工作以“Highly efficient mechanoelectrical energy conversion based on the near-tip stress field of antifracture slit observed in scorpions”为题，并以封面论文的形式发表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.201807693）。吉林大学的韩志武教授为通讯作者，王可军博士和张俊秋副教授为共同第一作者。

【图文导读】

图1. 蝎子体表机械量感受器的结构特征。图片来源：AdvancedFunctional Materials