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蜘蛛在完全黑暗的環境中捕獵。這些蛛形綱動物在視覺敏銳度方面的不足，透過外骨骼上微小的裂縫來彌補——這些裂縫會隨著外部環境的振動而顫動。然後，蜘蛛的神經系統會從其他分散注意力的噪音中過濾出最重要的振動。這是大自然完美的感測器。
現在，科學家們正從自然界中汲取靈感，製造他們自己的人工蜘蛛感測器。在12月11日出版的《自然》雜誌上發表的一篇論文中，來自韓國的一個研究小組描述了他們的新型機械感測器。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分）。他們透過在鉑片中嵌入裂縫來模仿外骨骼的裂縫來製造它，並表示這種感測器可以提供前所未有的靈敏度，甚至在未來具有醫療應用。“該感測器可以用作超靈敏應變感測器或生理監測感測器，”韓國首爾國立大學的機械工程師、該研究的主要作者 Mansoo Choi 說。“它可以用來詳細監測心臟功能，並且可以進一步開發來檢測殘疾人發出的微小物理振動，以識別他們的意圖，例如說話。”
奈米技術，遇見蜘蛛感應
Choi 和他的團隊首先諮詢了蜘蛛生理學方面的專家。他們瞭解到，裂縫器官——也稱為裂形器官，因其與七絃琴相似而得名——嵌入在蜘蛛腿關節附近的外骨骼中。
研究人員著手透過使用合成材料來模仿裂縫器官感知環境振動的能力。他們感測器的核心是一張僅 20 奈米厚的超薄鉑片，上面佈滿了微小的平行裂縫。（一奈米是十億分之一米，或約四十億分之一英寸。）細微的振動——例如聲波或心跳引起的——將擴大或壓縮這些裂縫，從而改變它們的電阻。“這意味著即使是很小的位移也會極大地改變電阻，”Choi 說。“如果你測量電阻的變化，你可以高精度地檢測到非常小的位移變化。”
結果是產生了一個具有前所未有靈敏度的感測器。相對靈敏度通常透過它們的應變係數來衡量——電阻變化與機械應變的比率。大多數感測器的應變係數小於 10。Choi 的感測器的應變係數超過 2,000。
邁向可穿戴感測器
奈米技術的優點之一是，如果你把它做得足夠薄，幾乎任何物質都會變得柔軟。由於它非常薄，Choi 的感測器中的鉑膜能夠在保持其高靈敏度的同時隨著身體彎曲——這些特性為可穿戴應用開闢了前景。“該感測器可以附著在皮膚和衣服等曲面上，以檢測隨時間變化的外部力的變化，從而監測生理訊號的變化，”Choi 說。
由於感測器可以區分某些單詞的獨特振動，Choi 和他的團隊將感測器附著在參與者的脖子上，並證明他們可以使用語音命令玩基本電腦遊戲。當佩戴在手腕上時，感測器還可以收集詳細的心率資訊。“我們認為它可以用於醫療應用，因為它可以在人體皮膚上附著，具有高靈敏度，”Choi 補充道。
Choi 和他的團隊的下一步將是繼續開發感測器，以便最終將其商業化。Choi 估計，他的團隊還需要三到五年才能讓他們的感測器為市場做好準備。與此同時，Choi 計劃尋找降低價格的方法。“我們可能需要用更便宜、高導電的金屬（如銅或鋁）來代替昂貴的鉑金，以進一步降低成本，”他說。
區分訊號和噪聲
其他科學家警告說，儘管 Choi 的感測器非常靈敏，但它不一定能在不同的聲音之間無縫區分。蜘蛛的天然感測器不僅捕捉最小的振動，還能從多餘的噪音中篩選出必要的訊號。“蜘蛛使用頻率濾波器來儘可能消除噪音，”德國馬克斯普朗克膠體與介面研究所的物理學家和生物材料專家彼得·弗拉茨爾說。“如果你記錄你聽到的每一個聲音，你都會瘋掉——我們必須非常有選擇性地接受什麼，並忽略噪音。當然，這對感測器來說並不是一件容易的事情。”
在同一期《自然》雜誌上發表的相關論文中，弗拉茨爾承認了該感測器令人印象深刻的靈敏度，但呼籲開發一種更具辨別力的裝置，可以更好地區分最重要的振動和分散注意力的噪音。“就其出色的靈敏度而言，這是一項偉大的成就，”弗拉茨爾說，“但我認為蜘蛛的[天然]感測器仍然有很多有趣的秘密值得研究。”