彗星划过，俏皮的拖尾里伴随着多少光压^[1]的作用？

飞机驶离，咆哮的音爆中包含了几分湍流^[2]的贡献？

复杂应力场导致的有趣物理现象——彗星拖尾和复杂气流（图源：sina）

在解释物理现象时，力是一个重要的参考量。

让我们睁大双眼，带着对物理的好奇走进微观世界。

近日，专注于微纳技术的西湖大学仇旻实验室，用“光”达到了皮牛级探测精度。

北京时间2023年11月21日，国际期刊Advanced Materials（先进材料）在线发表了西湖大学与国科大杭州高等研究院合作的最新研究成果，达到了基于光波导的皮牛级静态微力传感^[3]。西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室2019级博士生尚兴港为第一作者，国科大杭州高等研究院副研究员王宁（原仇旻教授课题组博士后）、西湖大学特聘研究员周南嘉、西湖大学国强讲席教授仇旻为共同通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委、西湖大学及国科大杭州高等研究院等多方支持与资助。

论文截图

01换个思路——想想菜市场是怎么称重的？

微机电系统、原子力显微镜和纳米压痕仪等传统力学仪器通常是为特定用途而开发的，价格高昂，使用复杂，不能与柔性、可穿戴等场景相融合。因此，开发低成本、易于使用且通用的微观传感器具有极大意义。

“测量微小力，要是能像去买菜时称重那样简单就好了。”他们的研究，起源于一个颇为“接地气”的想法。

“等等！我们能不能做一个微纳尺度性能最好的弹簧秤？小时候菜市场就是用弹簧秤称重的，简单、方便、耐用还便宜。”团队成员王宁副研究员、博士生尚兴港与仇旻教授，在一次次讨论中完成了文章思路的基础，由宏观弹簧自然过渡到微纳弹簧。

宏观（图源：sina）、微观弹簧秤^[3]

然而，实现3D结构微纳弹簧是一个极大的挑战。要想得到更优的探测极限，对弹簧几何参数的要求异常苛刻，常用的加工工艺无法保证结构的稳定。为了实现高性能传感器件，尚兴港在仇旻教授和周南嘉教授指导下，采取了双光子聚合（Two Photon Polymerizations, TPP）这一3D打印方法来制备弹簧结构。仅在优化加工工艺这一件事情上，他就做了足足一年半。

“还好结果是好的，时间的付出是值得的。我们真的做出了微纳尺度最灵敏的弹簧，比已报道的结果高出了四个数量级。”尚兴港说。

02用“光”做感知世界的抓手

把3D微纳弹簧选为关键力学元件后，下一个关键问题，则是如何精确测量弹簧受力后的微小形变。

“用光吧。我们试试光纤怎么样？”

在仇旻团队眼中，光不仅能够照亮世界，它还可以被视为感知世界的重要抓手。此外，光纤作为一种特殊基底，在微纳传感和成像中具有柔性、全光调制、抗电磁干扰等突出优势。在曹思敏博士和尚兴港前期探索的基础上^[4-5]，团队实现了从平面玻璃到光纤端面的跨“基底”微弹簧制备。

弹簧光纤微力传感器原理^[3]

把弹簧制备在光纤端面，自然形成了法布里-珀罗（Fabry-Perot, FP）干涉腔，光谱波谷位置和腔长紧密相关。实验上，通过分析光谱的漂移量，借助结构压缩量这一中间值，即可得到结构受力。

配合于高精度光谱仪，弹簧基光纤传感器的灵敏度和探测极限分别为0.436 nm/nN和40.0 pN。

03“40皮牛”的意义

“一厘米头发丝的质量为0.1毫克，约重1微牛（μN）。‘40皮牛’仅为发丝重量的万分之一。如果真要找一个直观的度量衡，40皮牛大约为红细胞重量的1/10。”

大多数常见的力学传感器只能做到亚微牛到纳牛级精度，无法对细微的物理过程（例如细胞质量检测（~pN）、光力（~100 pN）、气流力（~nN）等）进行精确探测。此外，数据精度的不足会掩盖非线性物理过程，导致对现象的错误解读。因此，传感器精度的提升可极大提升器件可靠性并拓展其应用范围。

皮牛级光纤传感器的性能已经可以和MEMS传感器相媲美，有望弥补MEMS、AFM、纳米压痕仪等仪器在强电磁干扰、柔性、可穿戴领域的不足。

各类传感器性能对比^[3]

04“捕捉”非线性气流压力

传感器被应用于微米尺度的微小气流力检测。得益于皮牛级的精度，实验中探测到了气流力随气压的非线性变化趋势。在循环往复改变气压的过程中，同一气压下测得光谱的一致性良好，光谱波谷位置几乎相同，体现了传感器出色的稳定性和可重复性。

气流力传感^[3]

困惑于非线性气流力的实验现象，尚兴港请教了另一位工学院PI——流体力学领域的专家范迪夏老师。在范迪夏的指导下，尚兴港得到的计算仿真结果揭示了气流力的非线性变化趋势源于气流的不同分散程度。高压气流的流向更集中在传感器轴向，导致气流力的快速攀升。

05“皮牛弹簧秤”还能干什么？

在微观世界这个“菜市场”，也有大量的“黄瓜、西红柿、土豆”等着微型弹簧秤大显身手。

“说不定在未来的某一天，我们真的能把细胞干重准确测出来。”尚兴港畅想着。

通过进一步设计，该传感器还有望被用于湍流的精准探测。此外，得益于光纤的柔性，该系统可以为原位血压检测、呼吸监控等多种重要应用场景提供新思路。

参考文献

[1] https://m.thepaper.cn/baijiahao_11711587

[2] https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1753895

[3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305121

[4] Two-photon direct laser writing of micro Fabry-Perot cavity on single-mode fiber for refractive index sensing. Optics Express, 2022, 30 (14): 25536-25543.

[5] PDMS-filled micro-spring Fabry-Perot cavity for temperature sensing. Optics Express, 2023, 31 (19): 30332-30339.

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305121

转载自：西湖大学工学院公众号