铲 第８卷 第１期２０１１年２月 仿生传感器：纳米技术成为最热选择 历经几十亿年的进化，生物界与自然的融合趋 于完美。而模仿生物的特殊结构和功能，一直是人 另外，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究 所、清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学等单位 也开展了大量卓有成效的工作，取得的一批成果， 走在了国际前沿。 传感器功能的仿生 类技术思想、发明创造的源泉。作为仿生科技的重 要一员，仿生传感器是基于生物学原理设计的可以 感受规定待测物并按照一定规律转换及输出可用信 号的器件或装置，是一种采用新的检测原理的新型 传感器。它由敏感元件和转换元件组成，另外辅之 以信号调整电路或电源等。 敏感机制的仿生 模仿生物的功能，研制具有与其功能相似的传 感器为人类所用，也是极具吸引力的领域。 基于人手皮肤的触觉感应以及肌肉的伸缩原 理，意大利与瑞典科学家联合研制了基于传感器阵 仿生传感器的设计理念主要涵盖两大方面：一 是敏感机制的仿生，包括敏感材料与敏感原理的仿 生设计；二是传感器功能的仿生。仿生敏感材料 列的仿生感应系统和由反馈信号控制的机械联动装 置，可以模拟人手实现对各种复杂形貌物体的抓与 放。并进行搬动 （也被称为仿生智能材料）与仿生原理是发展仿生 传感器的基石与核心，直接决定了仿生传感器技术 的应用价值，该领域研究极为活跃。 中科院院士、中科院化学所研究员江雷等通过 改变碳纳米管阵列的形貌以及对碳纳米管进行修 饰．可以实现对其亲水性能的．甚至达到如荷 合肥智能机械所则采用气体传感器阵列开发了 可任意组合、结构形状不限的电子鼻探测器．可以 实现易制毒化学品的现场快速检测．能检出并判定 ｌ２种易制毒化学品，检测时间小于两分钟，特别 适用于车站、边检口岸等场所的安检。 近年来，模仿鱼类的仿生传感器研究成为新的 热点。韩国建国大学的研究人员采用压阻执行器模 叶般的超疏水性。另外，他们基于仿生学原理，以 高分子聚合物为温度敏感材料，通过热诱导，结合 表面化学修饰，实现了超双亲／超双疏功能的可逆 拟鱼尾鳍，并通过调节执行器频率控制尾鳍的摆动 速率，获得了直行速度２．５厘米／秒的机器鱼。我国 开关。２０１０年，他们又在《自然》（Ｎａｔｕｒｅ）杂志 上报道了基于蜘蛛丝的内部结构及吸湿原理，设计 出具有纳米孔结构的纤维，甚至实现了对湿气中水 滴的直接采集。 哈尔滨工业大学的研究人员则采用具有形态存储功 能的合金材料作为鱼鳍，研制了一种微型机器鱼， 既可直行亦可绕行，直行的最大速度达到１１．２厘 米／秒，最小拐弯半径１３．６厘米。此外，美国马萨 诸塞州理工学院以及英国艾塞克斯大学的研究人员 也正在开展此方向的研究。目前，机器鱼无论是直 中科院合肥智能机械所的研究人员基于珊瑚的 结构特点，用分子化学组装方法设计纳米颗粒组装 的仿珊瑚结构半导体材料，其气体敏感性能、光电 行速度还是游动灵活性方面，都日益贴近真实。 众所周知，鱼类赖以生存的感应器官在于其侧 线。探测障碍物、感应水中扰动乃至追踪定位猎 转换性能等与传统块体材料甚至常规结构纳米材料 相比均获得大幅提高．可广泛应用于化学／生物传 感器、染料敏化太阳能电池等诸多领域；基于人＿Ｔ 抗体原理的分子印记仿生传感器，在爆炸物、环境 污染物的检测方面也极具价值；通过对壁虎脚中吸 盘微结构的分析，采用半导体微纳加工技术，制作 了仿壁虎脚功能的传感器，结合相应驱动装置，可 以在各种复杂表面上自由攀爬。 物，无不依靠其侧线感应器官。侧线就像是从头到 尾排列了多个传感器，探测来自不同方向的刺激。 鱼类利用不同部位感受器报警的强度与时间差来测 定刺激的大小和方位。许多陆生生物也具有结构与 功能相似的器官，比如昆虫的触角。这样看来，若 能对鱼侧线的内部结构及其作用机制进行模仿，获 拳嗽披 妒 ， 第８卷 第１期２Ｏ１１年２月 得相似的感知功能，对于水下物体的灵敏感知与精 一方面，仿生传感器日益朝着基于生物组织本 确定位、潜艇舰船的航行与水下机器人的精确控 身的微观结构及其作用机制模仿的方向发展；另一 制、动态环境的实时监控等都具有重要意义。 方面，基于某些整体装置的小型化、便携化、低碳 在这方面，佐治亚理工学院的研究人员走在了 节能化考虑，仿生传感器的微型化也成为一大挑战。 前列，他们开发出一种基于绒毛触觉敏感的仿鱼侧 由宏观到微观的转变，使得纳米技术这一迅速 线传感器，在模拟水体环境下进行测试，发现绒毛 发展起来的高新技术成为最佳选择。比如美国ＧＥ 对流体扰动信号响应十分灵敏。这种新型仿生传感 公司全球研发中心即将投入开发的仿生光敏纳米传 器甚至被美方寄予厚望，有望发展成为超越声 感器即是纳米技术与仿生结合的典型例子。通过模 呐的超灵敏、抗干扰能力强的新一代水下探测器。 仿蝴蝶翅膀鳞片中独特的纳米结构，以实现环境中 利用相似的仿生原理，荷兰科学家模仿蟋蟀的 的化学物质高灵敏光学探测。又如基于纳米压印技 触角结构，制作了基于纳米柱阵列的仿生流体传感 术发展的高分子聚合物纳米透镜阵列，可以实现昆 器．对细微扰动也表现出高的灵敏度。 虫复眼的多角度观察功能。 未来：更微观，更小型化 纳米技术将是未来发展新型结构与功能仿生传 感器的研究重点与热点。可以预见，基于纳米技术 仿生传感器技术发展至今，从智能材料到传感 与仿生学原理开发的新一代纳米仿生传感器将大大 器件构筑与应用，都达到了很高水平。当然，随着 丰富人类的物质世界，使人们的生活更加便利、舒 研究的不断深入以及应用领域的逐步拓展，对仿生 适与安全。 传感器也提出了越来越苛刻的要求。 来源：电子工程世界 我国ＤＮＡ纳米技术研究不断取得新突破 继二维“ＤＮＡ中国地图”诞生以来．我国 度。程序的名字叫ｍｉｎＤＮＡｎｏ．是ｍｉｎｄ（头脑）加 ＤＮＡ纳米技术研究不断取得薪突破，２０１０年，上 上ｎａｎｏ（纳米科技ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）的简称，中间 海交大Ｂｉｏ—Ｘ研究院更是硕果累累。上海世博会期 夹着ＤＮＡ（脱氧核糖核酸），寓意它是像聪明人一 间．该院科研人员李璨等把ＤＮＡ链像搭积木一样 样观察仔细、照顾细节的计算机程序一一实现抓住 组装拼接，设计出三维ＤＮＡ结构一一世博会中国 一个来源于生活中的图像轮廓．制作一个和它一样 馆．实现了二维ＤＮＡ图形到三维ＤＮＡ结构的突 的设计完整的ＤＮＡ自组装结构。目前，进一步的 破。近期，在中科院院士贺林带领下，李璨、樊春 工作仍在进行中。 海、张钊等开发的“ＤＮＡ纳米中国芯”可以在溶 而中科院上海应用物理所物理生物学实验室和 液中的纳米级“中国地图”表面实现可寻址的高灵 美国亚利桑那州立大学的研究人员合作发展了一种 敏基因检测，实现了对单碱基多型性（ＳＮＰ）的高 基于ＤＮＡ纳米技术的三维ＤＮＡ纳米结构探针，并 特异性分辨，为ＤＮＡ纳米技术在医学、遗传学等 在此基础上构建了一类新型生物传感平台，实现了 领域的实际应用迈出重大一步。 “这一工作很可能 对基因和蛋白质的高性能检测。相关论文发表在国 孕育着一场纳米技术的”。相关工作发表在国 际学术期刊《先进材料》上。研究人员进一步证 际学术期刊《先进材料》上，以及作为封面论文发 明．此新型生物分子识别界面适用于电化学、表面 表在纳米技术领域影响很大的Ｓｍａｌｌ杂志上。 等离子体共振、石英晶体微天平、微悬臂梁等一系 由于复杂结构中ＤＮＡ走向设计的工作量非常 列传感技术。这一平台技术可能会为生物传感领域 大，最近，李璨等开发了完全自动设计ＤＮＡ自组 打开一个新的研究契机。 装纳米结构的网络服务器，把ＤＮＡ结构设计简化 来源： 《科学时报》 到一名小学生坐在电脑前学几分钟就可以实现的程 眷钎放
