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标题为： Bio-inspired artificial hair flow sensors: a comprehensive review of design, fabrication, enhancements, and applications
摘要
流量测量在工业、农业、医学、环境监测等诸多领域具有重要意义。当前对小型化、高灵敏度、可扩展且节能的流量传感器需求日益增长，尤其在无人机、无人水下航行器、生物医学和仿生机器人等应用场景。受生物机械感受结构的启发，人造毛发与毛细胞流量传感器已成为极具前景的解决方案。
本研究全面综述了毛发流量传感器的研究进展、工作原理、性能优化方法及应用领域：首先概述毛发作为机械感受器的生物学机制；进而阐释人工毛发流传感器的设计与制造技术，重点剖析毛发结构仿生与集成面临的挑战；随后探讨传感器性能提升策略及其多元化应用场景；最后总结毛发传感器技术面临的挑战与发展前景，及其满足特定流场检测需求的潜力。
尽管目前人工毛细胞流量传感器大多处于研究阶段，但其在流量测量领域展现出巨大应用价值。未来随着材料科学、结构设计和传感机制的进步，这类传感器有望获得突破性发展，为科学研究和商业应用开辟新途径。
研究结果（部分）
图1：自然界中的毛发与毛细胞感受器
哺乳动物的毛细胞感受器呈现多种形态，包括：(a) 蝙蝠翼膜上的感觉毛发；(b) 港海豹的触须。节肢动物同样具有受体毛发结构，例如：(c) 蟋蟀尾须；(d) 蜘蛛外骨骼的细密刚毛。鱼类毛细胞主要分布于侧线系统中，典型代表有：(e) 深海鱼类感觉板中央环状区域的毛束结构；(f) 盲穴鱼（Astyanax fasciatus）侧线SN排阵列中被亚甲蓝染色的冠丘结构；(g) 典型生物毛细胞传感机制示意图。
图3：基于压电材料的人工毛细胞(AHC)流量传感器发展
(a) 采用钛酸钡(BaTiO₃)压电复合材料构建的毛发流量传感器；
(b) 结合电纺PVDF纳米纤维顶端连接与PDMS微柱的压电毛发传感器；
(c) 基于压电纳米纤维悬臂梁的人工侧线传感器；
(d) 集成聚合物毛细胞与PZT微振膜的自供电MEMS毛细胞传感器；
(e) 聚酰亚胺(PI)与PZT材料构成的自弯曲柔性毛发状压电传感器；
(f) 采用PZT压电振膜和高深宽比柱体的自供电流体动力传感器。
图5：基于多种传感原理的人工毛细胞(AHC)流量传感器
(a) 用于气流测量的谐振式毛发传感器；
(b) 通过PDMS微柱偏转测量局部壁面剪切应力的柔性毛发流量传感器SEM图像；
(c) 基于双层磁性纤毛的柔性气流运动传感器示意图；
(d) 采用非对称光纤的仿生AHC流量传感器原理图；
(e) 基于垂直排列碳纳米管束接触电阻变化的毛细胞传感器示意图；
(f) 采用印刷离子凝胶通道的软体气流毛发传感器，用于小型无人设备阵风检测。
图7：人工毛细胞(AHC)流量传感器的应用
(a) 采用两个MEMS AHC流量传感器进行流场控制评估的水下仿生机器魟鱼；
(b) 配备人工侧线传感器的仿生机器鲨鱼结构实体图；
(c) 使用带LED发光标记的柔性柱状传感器进行翼型表面流场检测；
(d) 用于生物医疗静脉输液系统的MEMS压阻悬臂式体积流量传感器；
(e) 模拟人体皮肤结构与特性的多功能电子毛发传感器；
(f) 基于石墨烯、仿生前庭系统毛细胞的AHC传感器。
讨论部分（片段）
本综述对人工毛细胞（AHC）流量传感器技术的最新进展进行了全面分析。我们系统阐述了天然毛发结构的非凡感知能力，特别是毛细胞检测流体与声学刺激的独特机制，以及支撑这些功能的精密生物传感原理。根据传感机制的不同，我们将AHC流量传感器划分为压阻式、压电式、电容式、磁敏式、谐振式及光学式等类型。其中基于MEMS技术的压阻、压电和电容式AHC流量传感器具有以下显著优势：
1. 卓越的灵敏度与极低检测阈值：可精确测量微小流量变化与振动信号，特别适用于低流速环境下的高精度流量检测需求。
2. 微型化与高集成度：其紧凑结构非常适合微通道、生物医疗设备和微流控芯片等空间受限场景，并能无缝集成到复杂微系统中实现多点流场监测。
3. 快速动态响应：具备毫秒级响应能力，可实时捕捉瞬态流场变化，为气流监测或水下涡流检测等动态环境提供即时反馈。
4. 长效工作特性：尤其适合穿戴设备、物联网系统、无人机及植入式医疗设备等能源受限场景。值得注意的是，MEMS压电式AHC传感器具有自供电特性。
尽管这类传感器在动态流场检测中表现优异，但仍存在静态流量测量局限性和温漂问题，高精度测量时需要温度补偿。采用其他原理的AHC传感器各具特色：基于毛发位移检测的传感器制备工艺相对简单，但易受外界干扰；光学式传感器无需复杂电极阵列，但对光路校准精度要求较高。通过发展多原理传感器，可显著推进传感技术进步，拓展应用场景以满足市场多样化需求。
AHC传感器设计的核心挑战在于人工毛发结构的制备与集成，这涉及材料优选、工艺开发及集成方案设计。目前主要有两种技术路线：一是利用PDMA等技术结合材料残余应力制造 monolithic 结构传感器；二是先独立制备人工毛发再进行二次集成。前者能保证传感器一致性并实现阵列化生产，后者因手工集成环节制约了规模化和一致性。开发自动化精密集成技术仍是重要挑战，因此人工毛发结构的制备与集成已成为AHC传感器发展的关键瓶颈，相关材料与工艺的突破将推动该领域跨越式发展。
在性能优化与应用拓展方面，研究者已取得系列创新成果：采用水凝胶材料开发的人工神经丘结构既保护了暴露的毛细胞又提升了灵敏度；聚对二甲苯涂层增强了器件的环境耐受性与防水性能；受海豹触须启发的毛发结构可有效抑制涡激振动；而仿鱼类侧线的人工系统既能检测稳态流场又可识别特定频率流体运动。这些创新显著提升了AHC传感器在工程应用中的可靠性与有效性。目前该技术已在仿生机器人（如机器鱼）、飞机翼面、静脉输液系统、电子皮肤及内耳前庭模型等多个领域展开应用探索。虽然多数处于实验阶段，但这些案例为未来商业化与实战化部署提供了宝贵的技术储备与广阔的应用前景。
致谢与评价
本研究获得以下项目资助：国家重点研发计划项目、浙江省重点研发计划项目以及ZJUI研究院启动基金。项目由ZJUI首席导师Huan Hu教授主持。作者感谢LetPub（www.letpub.com.cn）在论文撰写过程中提供的语言服务支持。
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