受遷徙動物磁感知能力啟發，同濟大學研發空氣-水下雙環境磁場傳感器

MEMS 2025-08-14 07:00

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感應是許多生物感官能力的重要組成部分，已被證實對動物導航起著重要作用。眾多動物展現出感知磁場的能力，包括長距離遷徙的鳥類、海龜、鯊魚、蝙蝠、龍蝦等。這些物種能夠結合地球磁場（即磁感應）與其它感官模態，實現跨越大陸和海洋的遠程導航。遷徙動物依賴地磁場實現的空間定向能力，為設計一種新型的空氣和水下雙環境磁場傳感器提供了寶貴的靈感來源。

目前，柔性仿生發光傳感器（FBLS）因其高靈敏度、快速響應和抗電磁干擾優勢而成為下一代智能檢測設備應用的新興范式，已被用于聲音、次聲波、氣流、壓力和溫度傳感等領域。然而，柔性仿生發光磁傳感器（FBLMS）的研究，特別是那些適用于空中-水下雙環境的磁傳感器，仍然非常落后。值得注意的是，集成磁性組件的FBLS使發光器件具備了磁應力耦合傳感能力，而磁驅動則使傳感器能夠以非接觸方式響應。因此，FBLMS有望在多種智能系統中發揮重要作用，包括柔性機器人、磁導航、功能性醫療植入物、智能無線通信以及非接觸式人機交互元件等領域。

過去十年間，基于電學的磁傳感器，如巨磁阻、隧道磁阻、各向異性磁阻、巨磁阻抗和霍爾效應傳感器，已得到廣泛報道。但其實際應用受到多種缺陷的限制，包括復雜的電路設計、寄生效應、信號串擾以及高制造成本。作為替代方案，基于發光傳感機制的FBLMS代表了另一種有前途的方法，但此類研究鮮有報道。因此，開發低成本、雙環境通用、極度靈敏且具備卓越的靈活性的FBLMS，仍面臨重大挑戰。

鑒于此，迫切需要探索磁傳感器的新概念和模型。基于HOFs的柔性復合薄膜被認為是卓越的選材對象。同濟大學化學科學與工程學院閆冰教授團隊將遷徙動物磁導航能力巧妙地融合于HOFs基柔性器件之中，制備出超快及超靈敏的空氣-水下雙環境磁場傳感器，并應用于水下磁無線通信、運動感知和空氣-水下雙環境磁智能實時監測，相關成果以“Migratory Animals-Enlightened Hydrogen-Bonded Organic Framework Nanorods Electrodeposited Nickel-Based Fabrics for Ultrafast and Ultrasensitive Dual-Environmental Magnetic Field Luminescence Responsive Monitoring Both in Air and Water”為題在線發表于化學、材料頂級期刊《先進材料》（Advanced Materials）。

研究人員受遷徙動物磁導航能力的啟發，基于配位電沉積方法，制備了空氣-水下雙環境柔性仿生發光磁傳感器（HOF-14@Ni織物）。該傳感器創造性地將HOF-14的優異熒光性能與鎳織物的出色磁性和柔性相結合，實現了“1+1>2”的效果。

值得注意的是，在空氣和水下磁傳感過程中，該傳感器都表現出超快的響應速度（空氣中為40 ms，水下為240 ms）、超低檢測限（空氣中0.0227 mT，水下0.0337 mT）、超高精度（空氣中RSD≤0.52%，水下RSD≤0.097%）、超高靈敏度（空氣中1510.23 T?1，水下51.89 T?1）和出色的重復性（空氣中900次循環，水下540次循環）。

基于有限元模擬，對磁傳感機理進行了綜合分析，并深入探究了空氣和水中響應及恢復時間的差異的機制。此外，由于其出色的磁傳感性能，該傳感器可進一步用于水下磁無線通信、運動感知和空氣-水下雙環境磁智能實時監測。空氣-水下雙環境磁傳感器的卓越性能表明其在通信設備、磁導航、醫療診斷、資源勘探、交通工程和環境保護等領域具有廣闊的潛在應用前景。