4小时前 昆虫触角附体，机器人长出感知超能力！浙大仿生微光学天线登《Science》子刊

作者：大爆爆    出品：机器人大讲堂

一片比头发丝还细的光学纤维，让机器人同时拥有了触觉、听觉和嗅觉。原来，最高级的传感技术，就藏在昆虫的触角里。

▍生物灵感与技术突破：从昆虫触角到微光学天线

在自然界，昆虫的触角是多功能感知器官的代表。蝴蝶能用触角感知微风中的化学信息，蚊子能通过触角振动定位同类翅膀的嗡嗡声，蚂蚁则依靠触角触摸与交流。

生物研究表明，昆虫触角表面覆盖着大量受体细胞，能将机械振动、化学分子等信息转换为生物电信号，经由神经传递至大脑进行处理。这种高度集成、微型低功耗的传感方案，正是当前微型机器人领域梦寐以求的技术范式。

以往模仿昆虫触角的人工传感器往往存在体积大、功耗高、难以集成等问题。电子线路在微观尺度下容易产生电阻增大、响应延迟、信号串扰等一系列问题。

近日，浙江大学团队摒弃传统电子路径，在权威期刊《Science Advances》发表最新研究成果，成功复制了昆虫触角的结构与功能，研制出一种仿生微光学天线（MOA）。它大小仅约100微米，重量约1毫克，却能赋予机器人媲美生物的多感官感知能力。

其核心构造在于：一根微纳光纤充当“传感神经”，其外包裹的功能化聚合物薄膜作为“受体”。通过精确测量外界刺激所导致的光辐射或吸收损耗，MOA实现了对多种环境信号的高灵敏度感知。

▍巧夺天工的制造：表面张力驱动的微米级装配

如何将直径不足头发的微纳光纤装配成复杂而精密的仿生结构？研究团队展示了令人惊叹的微制造智慧，利用液体表面张力进行驱动式自组装。

工艺始于将预先拉制成天线形状的微纳米纤维（MNF）水平浸入聚合物溶液。当被缓慢提拉时，在液体表面张力的作用下，光纤的直段逐渐闭合，曲段向内收缩。这一过程持续直至光纤自身的弹性弯曲力与液体的表面张力达到精确平衡，此时结构稳定成型并从液面脱离，形成最终的MOA。此方法高效、可控，制造良率超过96%，为规模化生产奠定了基础。

器件的功能可通过“受体”薄膜的材料进行定制。例如，采用聚二甲基硅氧烷膜的MOA可实现优异稳定的传感；而使用掺杂了溴百里酚蓝指示剂的Nafion膜，则专用于高灵敏度氨气检测。这种材料的灵活性为MOA应对不同应用场景提供了可能。

MOA的仿生设计和制造

▍超越生物的多模态感知：触、听、嗅的极致性能

MOA的核心价值在于它集成了多种超凡的感知能力，并在多项重点指标上实现了对生物感官的超越。

触觉方面，它通过探测外力引发光纤弯曲导致的光辐射损耗来工作。通过调节光纤直径（2.2至8.9微米），其弹性常数可在0.28至61.14 mN/m之间跨越两个数量级，适应不同需求。最纤细的MOA展示出5.7%/nN的力灵敏度，噪声仅0.08%，力分辨率高达14.1 pN。同时，它还能感知气流（灵敏度8.7%/m/s））和温度变化（灵敏度20.6%/℃），响应迅速。

MOA的触觉传感性能

听觉方面，MOA模仿昆虫的约翰斯顿器官。其薄膜对声波产生响应，带动整个结构振动，并由光纤捕获信号。它的听觉带宽惊人地覆盖了10 Hz至10 MHz，在100 Hz至20 kHz范围内声压灵敏度约为10 mV/Pa。其频率辨别能力精微，可区分100 Hz下仅0.01 Hz的差异，成功用于识别乐器音高（如尤克里里A、E、C、G弦的基频）和昆虫振翅频率（如蜜蜂的~193.1 Hz）。

MOA的听觉感知性能

嗅觉方面，团队研制了基于Nafion-BTB（溴百里酚蓝）薄膜的氨气“受体”。氨气分子引起薄膜内指示剂变色，从而选择性吸收光纤中特定波长的光。MOA对氨气的检测极限达28 ppb，响应和恢复时间分别仅为80毫秒和1.5秒，性能远超商用传感器。演示中，MOA在1秒内触发警报，而对比的传统传感器反应时间超过10秒。

MOA的嗅觉感知机制和性能

真正的突破在于集成。单个MOA利用多波长解耦技术，可同步感知触、听、嗅刺激且串扰极低。通过同时监测850nm（对机械刺激敏感）和650nm（对氨气敏感）波长的光强，它成功实现了对8μN力、9Hz声波和60ppm氨气的同步检测。

使用单个MOA进行同步多传感器感知及其在机器人多传感器感知和自主操作中的应用

▍从实验室到实战：从空中到地面的感知革命

为验证MOA的实用价值，研究团队将其集成到两个机器人平台上，构建了完整的感知-决策-行动系统。

在扑翼蝴蝶机器人上，他们开发了总重小于6克的超轻集成模块（MOA本身仅约0.1克），集成了传感、控制、飞行与无线通信功能。两只MOA对称安装在机器人头部，如同真实的触角。在户外测试中，机器人能实时感知并区分触摸、风、声音、温度及氨气。在一个关键演示中，正常飞行的机器人凭借MOA检测到氨气浓度超过阈值后，自主执行了刹车与着陆动作，全过程依赖于机载处理单元对MOA实时信号的分析。

同时，MOA也被安装在尺寸小于10厘米的瓢虫地面机器人上，成功展示了其在触觉探索、声信号采集及危险气体泄漏监测等场景中的应用潜力。这证明了MOA模块具有极佳的适配性与扩展性。

▍未来展望：微纳光学感知开启无限可能

MOA的诞生，标志着仿生感知技术迈入了一个新阶段。它不仅仅是模仿生物，更是在原理（光学传感）、工艺（张力驱动装配）和集成（多模态解耦）上实现了创新融合。

这项技术前景广阔。通过采用更细的微纳光纤或更复杂的结构设计，MOA的尺寸、灵敏度与功能仍有巨大提升空间。其微型化、低功耗、抗干扰的特性，使其在微小型机器人（如昆虫级机器人、微飞行器）、精密医疗诊断（如内窥镜传感）、危险环境监测以及可穿戴设备等领域具有不可估量的应用潜力。

自然界用亿万年进化出的解决方案，正在以意想不到的方式推动科技进步。下一次，当你看到昆虫摆动触角时，或许正目睹着未来机器人感知技术的灵感源泉。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec4252