美空軍研究實驗室研發智能「髮絲」感測器

受蝙蝠和蟋蟀的啟發，美空軍研究實驗室材料與製造局的研究人員研製出一種新型的人造髮絲感測器，可幫助調整高靈敏飛行器的飛行路線。

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系統需求

隨著飛行器的逐步輕型化及其具備在不同環境下作戰的能力，美空軍越來越需要了解周圍空中的數據及其對飛機性能、導航等方面的影響。隨著高靈敏飛行器的加入，空軍日益需要一種「憑感覺飛行」的系統：在飛行過程中，飛行系統可分配智能的感測器來評估外部環境並改變飛行姿態。

美空軍研究實驗室材料與製造局結構材料部首席工程師傑夫·鮑爾表示，蝙蝠和蟋蟀擁有纖細的毛髮，可以察覺明顯的氣流擾動，從而感知環境變化。研究人員認為，如果在飛機表面設計出類似的「髮絲」，有助於形成一套能夠檢測空氣變化、「憑感覺飛行」的高靈敏飛行系統。因此，美空軍科研辦公室資助了一個多部門「人造髮絲感測器」團隊，開發具有創新性、適應性和多功能的仿生結構。從實驗室的「概念驗證」試驗開始，這種感測器便已引起了國際關注，航空航天公司和研究人員欲圖將其集成至風洞模型和飛行系統。

該研究已催生三項專利申請。目前進入製造和實驗室風洞評估階段，並已分配給全球合作者在不同的概念中進行試驗。

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技術細節

傳統飛行系統一般通過螺栓固定的感測器獲取數據，存在某些點測量的感測數據延時的情況。在研發這種新型人造髮絲感測器時，研發團隊運用了一種在玻璃纖維毛細管內培植的碳納米管簇。具有高強重度及導電能力的碳納米管為研製這種髮絲感測器奠定了基礎，它在兩端配有電極的玻璃毛細管內培育而成。這種髮絲的直徑不足人體頭髮的十分之一。空氣經過纖維時會壓縮碳納米管，導致電極之間的電阻發生變化，此時感測器便會發揮作用。感測信息由一套類似人腦的神經網路進行分析，其演算法能夠處理信息並指示飛行器做出響應。

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應用領域

航空航天系統局格雷格·賴希博士表示，這些人造髮絲感測器有助於更好地了解城市環境中的空氣動力學或陣風情況。例如，飛機在建築物拐角處轉彎時，風向可能會改變，如果有系統可以檢測到陣風的到來，飛行器可以立即做出調整。

雖然感測器的大部分開發和小規模實驗室測試都在懷特·帕特森基地的材料與製造局進行，但研發團隊也利用了彈藥局開發的壓力波管和航空航天系統局的風洞，以驗證感測器的耐久性和對速度的靈敏性。鮑爾稱，通過改變毛細管的直徑，研究人員能夠檢測不同的風速，甚至在高達100英里/小時的風速條件下也可以成功進行檢測。團隊目前仍在評估感測器的耐久性，但已完成超過316小時的測試。

鮑爾表示，人造髮絲感測器的另一個潛在應用方向是粘結複合材料。將感測器置於粘結材料，研究人員可檢測材料的內部情況，可能會提前發現裂縫。

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