业界动态

“重大科学仪器设备开发”专项项目陆续启动

激光高温湿度传感器

2017年9月19日，科技部“重大科学仪器设备开发专项”——“面向复杂工况的激光高温湿度传感器研制及产业化”项目启动仪式在北京召开。

据悉，针对我国环保、工业过程控制等多个领域高温湿度准确测量的难题，项目组计划用两年时间，围绕测量环境湿度大、工况干扰因素多(腐蚀气、静电、烟尘、液滴等)、缺乏高温高湿标定技术及恶劣工况下器件可靠性等关键问题，突破湿度大动态范围自适应测量技术、复杂工况多波长测量控制技术及激光器温度电流控制技术，研制工作温度在20℃～350℃的激光高温湿度传感器，并最终实现产品化和工业化推广应用。该传感器一旦研制成功，可提升我国高温湿度监测水平，提高环保排放测算准确性、工业过程节能减排。

项目专家组负责人、我国著名激光和非线性光学专家、中科院院士姚建铨介绍，此次研究的激光湿度传感器是基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS)实现湿度测量。相比于传统测量方式，TDLAS技术在进行高温环境下的湿度测量时，具有无交叉干扰、测量范围大、精度高、实时测量等优势，可实现高温湿度实时监测。

据了解，该项目由北京航天易联科技发展有限公司、中科院半导体研究所、中科院电工研究所、武汉市天虹仪表有限责任公司共同完成。

大视场生物成像分析仪

2017年9月29日，科技部“重大科学仪器设备开发”重点专项——“大视场生物成像分析仪”项目启动会在中科院南京天文仪器有限公司举行。

该项目将由中科院南京天文仪器有限公司牵头，联合中科院苏州生物医学工程技术研究所、苏州国科医疗科技发展有限公司、中国人民解放军军事医学科学院微生物流行病研究所、中检国研（北京）科技有限公司、武汉大学、吉林师范大学、广东科鉴检测工程技术有限公司等8家单位共同承担。

据项目负责人、中科苏州医工所研究员董文飞介绍，稀有细胞和痕量病原微生物对疾病检测、生殖健康、环境卫生和国家安全等方面有十分重要的影响，“大视场生物成像分析仪”项目基于对稀有细胞快速检测的需求，通过攻克大视场高分辨离轴反射式光学系统设计技术、大面阵高分辨探测器和大面积单层细胞推片技术等三个关键技术，开发新型大视场高分辨生物成像分析仪。

该项目仪器研制技术路线采用模块式结构，包括大视场高分辨光学成像系统、大面阵高分辨探测器、大面积单层细胞推片机、自动识别快速软件、样品前处理、大面阵多光谱光源和运动控制模块等模块，同时开展在稀有细胞快速检测方面的应用示范，为仪器的工程化产业化及大规模应用奠定基础。该项目如果研制成功，将填补国内市场空白，验收三年内预期年产值可达3000万元，极大带动科学仪器系统集成创新，有效提升我国高端生物成像仪器设备行业整体创新水平与自我装备能力。

我国诞生首个专业传感技术检测平台

9月25日，由中国传感器与物联网产业联盟(“SIA联盟”)与常州市共同组建的国内首家“传感技术检测公共服务平台”正式落户常州智能传感小镇。

据悉，平台将下设研究院，从汽车电子等领域切入，侧重模组、应用端领域的产品检测，打造全国传感器产业高地。平台将结合常州市汽车及零部件、太阳能光伏、新医药、智能数控和机器人等几大产业链的需求，以汽车电子及传感器为核心，兼顾消费类和生物医疗等领域，提高传感器和物联网领域产品的检测能力，解决企业急需的产品性能测试、可靠性测试、失效性测试、环境模拟测试等问题，以打开市场高技术门槛、帮助中小企业快速成长，提升自主品牌的竞争力。

SIA联盟副秘书长朱佳琪介绍，“在检测领域，中国还没有一家专门的传感器检测平台，这对大公司当然不是问题，但小公司搭建自己检测平台的成本是非常昂贵的;联盟正是看到这个痛点，才支持常州构建技术服务平台，这不仅是为常州发展传感器提供凝聚力，也是联盟切实履行推动产业发展的使命。”

海底AI革命中的仿生机器人

2017年9月27日 出版 的Science Robotics杂志第10期封面刊登报道了由北京航空航天大学、哈佛大学和波士顿大学联合启动的一项科研项目，利用3D打印技术制作鮣鱼仿生机器人，来帮助对海洋生物的研究。根据已完成的样机测试，机器人吸盘的吸附力相当可观，能在光滑表面产生相当于自重约340倍、粗糙表面上自重约100倍的吸附力，却不会对吸附表面造成破坏。

目前，水下机器人的研发存在一个难题——它很难在水里实现自主抓取的任务，而来自鮣鱼顺势吸附的灵感为解决这个难题打开了新的思路。

研究人员利用3D打印和激光切割技术设计出这款仿生机器人。其中，最精巧复杂的部分就是鱼头部位的吸盘。吸盘由三部分组成： 吸盘外周的唇圈，由柔性的肌原纤维组成，主要产生负压；吸盘内部的硬质鳍片结构，外表包裹厚度约500μm的软组织，可由肌肉驱动产生法向微动；鳍片上的锥状小刺结构，底部直径约200μm，顶端为1～5μm。其内部有2000个微型的小刺，按照附着面凹进或凸起从而令吸盘能吸附在各种海洋生物的体表。课题组借助高精度激光加工技术，加工出了尺度、形状都和真实吸盘结构高度近似的硬质小刺，并嵌入到复合材料的样机鳍片中。此外，课题组还制作了轻量化、防水的纤维增强软体直线驱动器，实现了吸盘内部鳍片的微动，其幅度约为150μm。

“这种‘搭便车’行为最大的优点，就是能有效减少运动消耗的能量。”研究小组的文力教授表示，“通过将仿生样机集成到水下机器人上，实现类似 鱼的游动-吸附-脱离。这项研究工作不但从生物力学角度揭示了鱼的吸附机制，同时为未来的低功耗水下仿生软体机器人、水下吸附装置提供了新的思路。”

此项应用在军民领域都有良好的应用前景，如国防科技、水下救援、海洋生态检测等方面。

变形可控的液态金属能让终结者成为现实吗？

如果说哪个机器人形象最让人印象深刻的话，《终结者2号》中那个可以在液态与固态间自由变换的终结者T-1000一定当之无愧。而英国萨塞克斯大学和斯旺西大学的研究人员在朝向制作出真正的液态金属机器人迈出了一步，他们找到了一种办法，通过电场让液态金属变身为各种二维形状，如字母和心形等。

研究人员表示，尽管这一研究还处于初级阶段，距离终结者还有相当相当长的距离，但其已经展示出了在计算机图形处理、智能电子设备、软体机器人以及柔性显示屏等多方面的应用潜力。

最新发现表明，液态金属是“一种潜力巨大的新材料”，它们独特的属性包括表面张力可由电压控制、高导电性以及室温下液态—固态相变。用编程的方式，让其实现多种变形，为研制出软体机器人和变形显示器开辟了新的可能性。这是否意味着，即使暂时无法制作终结者，至少未来的电脑和手机将有可能突破固有模型，变身为任何我们希望他的模样？

研究成员思睿拉姆·赛布莱恩说：“我们和很多其他研究人员的愿景是，通过数字操控的方式，改变其物理性状、外观和功能，制造出功能远超现有显示器或机器人的、更为智能灵活的设备。”

高拉伸、高灵敏的可穿戴柔性传感器

可穿戴柔性传感器能贴附于各种不规则物体表面，已成为未来发展智能材料的重点研究方向，在人机交互系统、电子皮肤、人体运动行为监测系统等领域具有广阔的应用前景。其中，柔性传感器的可拉伸性及灵敏度是传感器材料重要的性能指标，能否兼具柔韧性和准确性，同时实现高可拉伸性和高灵敏度仍是目前面临的挑战。

深圳先进技术研究院先进材料研究中心汪正平与孙蓉领导的研究小组在柔性材料的研究中取得多项成果。

Materials Chemistry C杂志公布了他们的一项最新研究成果——一种低成本、高拉伸、高灵敏度的柔性应变传感器。研究人员利用聚氨酯海绵经过数次吸附还原过程制得导电性良好的石墨烯包覆聚氨酯海绵，通过电沉积方法，在其表面包覆一层带有微裂纹的金属镍，利用柔性聚合物封装方式制备出了镍/石墨烯包覆的聚氨酯海绵柔性应变传感器。该制备方法简单、成本低，并将电化学方法引入了传感器的制备中，提高了其灵敏度。该柔性应变传感器表现出了良好的性能：宽应变范围（0%～65%）、高灵敏度（36.03～3360.09）、快速响应时间（＜100ms）、高可靠性（1000次拉伸及弯曲循环）。将该传感器应用于人体手指弯曲活动监测以及面部肌肉拉伸监测等，展示了其在柔性可穿戴电子设备领域的良好应用价值。

在线发表在ACS Applied Materials & Interfaces上的另一篇论文则报告了一种新型的柔性压力传感器。由于微结构不仅能够提高传感器的灵敏度，还能更快地恢复传感器的弹性形变，具备快速响应能力，因此，构建微结构是提高柔性压力传感器综合性能的有效途径。研究人员利用聚合物胶体微球自组装阵列作为模板，通过两步复制制备了具有微凸点阵列的柔性基底。该研究采用的全化学法，无需依赖昂贵的光刻设备及复杂的光刻工艺，具有制备工艺简单、成本低，可通过胶体微球粒径的选择来调控柔性基底微凸点的尺寸等优势。所制柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性，对低压段压力具有较强灵敏性等特点。

聚合物胶体微球阵列与复制得到的微阵列结构PDMS柔性基底

高性能的柔性应变传感器——非晶合金皮肤

电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器。然而，现有的应变敏感材料，由于导电性差、能耗高、制作工艺复杂、成本高等缺点，极大地限制了电子皮肤的实际应用。所以，寻找新型应变传感材料迫在眉睫。

在国家自然科学基金及973项目基金的资助下，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）极端条件实验室咸海杰等研究人员最近在Applied Physics Letters发表了其最新研制的一种基于非晶合金薄膜的新型柔性应变传感器——非晶合金皮肤（Flexible strain sensors with high performance based on metallic glass thin film）。

非晶合金皮肤是通过离子束溅射方法将 Zr55Cu30Ni5Al10等非晶合金薄膜直接生长在柔性塑料（PC）衬底上得到的。通过对薄膜厚度的调控可以视觉上变得“透明”。

对该传感器进行的压阻效应测试结果表明，材料应变系数为2.86，具有较大的可探测应变范围（1% 或 180 弯曲角)，良好的导电 性（电导率>5000 S/cm），电阻与应变之间有近乎完美的线性关系，稳定性好，极小的电阻温度系数（9.04×10-6/K），良好的重现性和重复性(1000多次)。同时，与传统晶态金属材料相比，弹性范围有很大的提高（室温下的理论弹性极限为4.2%）。有明显的抗菌性等特点，可用于医疗应用。另外，制备方法简单，制造成本低，可忽略不计的能耗。所有这些特性都是实际应用中电子皮肤所必须的，所以利用非晶合金双眼皮肤的这些独特性质，有望推动电子皮肤的早日实际应用，同时也为非晶合金材料的应用开辟新的途径。

新型可穿戴汗液传感器稳定性更进一步

可穿戴汗液传感器的研究是可穿戴健康电子设备领域发展的重点之一，而微型化、集成化的全固态离子选择性电极和全固态参比电极，是检测汗液中电解质离子浓度的核心传感技术。针对这个问题，苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽小组，利用MEMS微纳加工技术设计制备了一种以微孔阵列为模板的电极芯片，采用一步电沉积法制备了大比表面积且可调控的三维金纳米结构离子/电子传导阵列电极，相比较基于碳纳米管、石墨烯、多孔碳等材料制备的离子/电子传导层，具有制备简单、重复性好等优势。

据悉，使用这种电极芯片构建的全固态离子选择性电极具有稳定的电位响应灵敏度（56.58±1.02mV/decade）、快速响应时间（<10s）和宽线性范围（10-6～10-1mol/L），传感器的电位漂移和水层干扰影响减小。通过优化参比电极聚合物膜和盐的组分，在传感器芯片上集成了基于聚合物/氯化钾的全固态参比电极，获得的微型化参比电极芯片具有平衡时间短，对不同种类和不同离子强度电解质干扰响应小，对光不敏感，在pH 3～10范围内响应稳定，具有长期稳定性等优势。

可穿戴“导汗带”汗液传感器设备的照片和示意图

同时，研究小组还设计了具有汗液采集、转运和排出结构的可穿戴“导汗带”汗液传感设备，将传感器芯片与汗液导汗带集成封装，可舒适便捷地佩戴与人体额头区域，可对人体运动过程中电解质离子进行实时连续地分析监测。

新型纱线材料为可穿戴传感器提供便捷电能

美国得克萨斯大学、韩国汉阳大学、中国南开大学的研究人员组成的一个联合小组合作研发了一种名为“Twistron”的“纱线”材料，只要拉伸或扭转就能实现自发电，有望在物联网传感器、可穿戴医疗设备、海水发电等领域广泛应用。

《科学》杂志对此做了重点报导，认为其适合为物联网中上千万的传感器提供方便电能。同时，还可用于制造电子纺织品或可穿戴医疗设备。

“Twistron”本质上是一种用碳纳米管制成的无需要外加电源的电容器。发电前，将纱线在盐水等电解质溶液中浸泡，使电解质中的离子附着到碳纳米管表面。当纱线被拧紧或拉伸时，碳纳米管之间的距离变小，离子聚集到一起密度变大，就会将拧紧或拉伸过程中的机械能转化为电能。

为了提高纱线的弹性，研究人员正不断提高纱线的捻度，从而使得纱线呈类似弹簧的螺旋结构。实验证明，每千克纱线可产生250W的峰值电能，比其他将机械能转换为电能的技术高出100倍以上。测试中，一根重量小于家蝇的Twistron纱线，每次被拉伸后产生的电能可以点亮一个小型LED。

研究人员表示，由于这种纱线具有可扩展性，它们可在任何有可靠动能的地方使用。比如，待生产成本降低后，就可利用这种纱线制成巨大的能量收集装置，采集海浪运动产生的能量。

南开大学药物化学生物学国家重点实验室教授刘遵峰参与了新材料的研发。早在2015年，刘遵峰教授就曾在《科学》杂志上报道了使用同种细纱材料制成的弹性导线，用以制作监测人体健康和运动的可穿戴设备。