在自然界中，蝴蝶的触角能感知气流、蜜蜂的触角能捕捉声波与气味，昆虫经过亿万年进化的天线系统，堪称自然界最精密的 “多感官传感器”。如今，浙江大学团队从昆虫触角中汲取灵感，研发出一款微光学天线（MOA），成功让机器人也拥有了媲美生物的触觉、听觉和嗅觉感知能力。
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一、仿生设计：复刻昆虫触角的“超级感知”
昆虫的触角之所以能实现多感官协同，核心在于其 “受体 - 传导 - 处理” 的高效架构。研究团队精准复刻这一逻辑，打造出由三部分组成的微光学天线：
天线棒：由环绕的微纳光纤（MNF）与功能化聚合物薄膜封装而成，如同昆虫触角上的感知受体，能将机械力、化学物质等外部刺激转化为光信号变化；
天线梁：直段微纳光纤兼具结构支撑与弯曲灵活性，确保传感器能快速响应外部扰动；
传输光纤：如同昆虫的神经传导系统，将光信号稳定传输至微控制器（MCU）进行处理。
这款 MOA 的尺寸与重量堪称 “极致迷你”—— 横向尺寸仅 100 微米，质量约 1 毫克，与蝴蝶触角相差无几。其制备采用表面张力驱动技术，通过精准控制微纳光纤与液体的相互作用，让光纤自动组装成天线状结构，制备良率高达 96%。
二、三大超能力：触觉、听觉、嗅觉样样精通
1.触觉感知：精准捕捉皮牛级力与0.004℃温差
MOA 利用微纳光纤的弯曲辐射效应和聚合物薄膜的热光特性，实现多维度触觉感知：
力传感方面，通过调整微纳光纤直径（2.2-8.9 微米），其弹簧常数可跨两个数量级变化，最灵敏版本的力分辨率达 14.1 皮牛（1 皮牛 = 10⁻¹² 牛），能精准测量头发的弹性模量（6.98 GPa）；
气流传感中，对 2m/s 以下的低速气流呈现线性响应，灵敏度达 8.7%/（m・s⁻¹），可模拟昆虫触角的气流探测功能；
温度传感上，在 24-32℃范围内灵敏度达 20.6%/℃，分辨率低至 0.004℃，响应时间仅 0.42 秒，且不受电磁干扰。
2.听觉感知：捕捉10Hz-10MHz声波，分辨0.01Hz频率差
借鉴昆虫约翰斯顿器官的振动传感机制，MOA 的聚合物薄膜在声波作用下产生受迫振动，通过微纳光纤捕捉振动的振幅与频率：
频率响应范围覆盖 10Hz-10MHz，远超多数动物的听觉范围，在 100Hz-20kHz 频段灵敏度达 10 mV/Pa；
频率分辨能力惊人，能区分 100Hz 附近仅 0.01Hz 的频率差异，成功捕捉到蜜蜂 193.1Hz 的振翅频率，还能清晰还原尤克里里琴弦的基频信号；
具备方向敏感性，可通过信号差异判断声源方位。
3.嗅觉感知：28ppb氨检测，响应速度比商用传感器快10倍
MOA 的嗅觉感知依赖聚合物薄膜中的化学指示剂，以氨气检测为例：
掺杂溴百里酚蓝（BTB）的全氟磺酸（Nafion）薄膜遇氨气后，会从黄色变为蓝色，导致薄膜在 630nm 波长处的吸收增强，通过微纳光纤的倏逝波感知这一变化；
检测下限低至 28ppb（1ppb=10⁻⁹），在低浓度区间（<5ppm）灵敏度达 2.82%/ppm；
响应时间仅 80 毫秒，恢复时间 1.5 秒，远超商用电化学传感器（响应 > 10 秒），能实时监测氨气浓度波动。
三、核心突破：单天线实现多感官同步检测
昆虫触角的终极优势是多感官协同，MOA 通过多波长检测方案实现了这一功能：
机械刺激（力、声波）会引起微纳光纤的弯曲辐射损耗，对全光谱信号均有影响；
化学刺激（氨气）仅在特定波长（600-700nm）产生吸收损耗；
实验中，单根 MOA 成功同时检测到 8 微牛的力、9Hz 的声波和 60ppm 的氨气，通过频率过滤与波长分离，实现了极低的信号串扰。
四、机器人应用：0.1克模块赋能自主飞行与避险
研究团队将 MOA 集成到总重不足 6 克的扑翼蝴蝶机器人上，两个 MOA 对称安装在头部，如同昆虫的触角。该集成系统具备三大能力：
实时感知：在户外环境中稳定捕捉触觉、听觉、嗅觉信号；
信号解码：通过快速傅里叶变换与频域滤波，精准提取多源刺激信息；
自主决策：基于 MOA 信号实现闭环控制 —— 当检测到氨气泄漏时，机器人能自主刹车降落；收到触发信号时，可自动起飞并稳定飞行。
此外，MOA 还成功适配瓢虫型地面机器人（尺寸 < 10cm），在触觉探索、声学采集和有害气体检测中展现出实用价值。
结语：微纳光学开启机器人感知新纪元
这款昆虫启发的微光学天线，以 “光信号传输” 替代传统电子传导，突破了微型传感器的灵敏度、功耗与集成性瓶颈。其 0.1 克的轻量化设计、多感官协同能力，为微型飞行器、昆虫级机器人提供了全新的感知方案。未来，通过优化微纳光纤尺寸与聚合物材料，MOA 有望在生物医学监测、精密操控、环境探测等领域实现更广泛的应用，让机器人真正拥有 “感知世界” 的能力。
参考文献：
Xitao Tu et al. Insect-inspired micro-optical antenna enables ultrasensitive multisensory perception. Sci. Adv.11, eaec4252(2025).
