[논문]거미의 감각기관을 모사한 초민감 균열기반 진동압력센서

오수연; 김태일

doi:10.6117/kmeps.2024.31.1.001

거미의 감각기관을 모사한 초민감 균열기반 진동압력센서
Ultrasensitive Crack-based Mechanosensor Inspired by Spider's Sensory Organ 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.31 no.1, 2024년, pp.1 - 6

오수연 (성균관대학교, 화학공학부) , 김태일 (성균관대학교, 화학공학부)

초록
AI-Helper

거미는 진동감각기관을 통하여 미세한 진동까지도 감지해낸다. 뛰어난 진동 감지 능력을 활용해 먹이나 포식자가 발생시키는 진동을 감지하여 공격을 계획하거나 위협을 파악하며 생존에 활용한다. 본 논문은 거미의 진동감각기관을 모사하여 개발된 초민감 진동압력센서에 대해 기술한다. 거미가 진동을 감지하는데 사용하는 감각기관에 위치한 작은 틈에 착안하여 센서에 균열을 생성하였고, 균열의 깊이를 제어하여 외부로부터 오는 압력이나 진동을 매우 민감하게 감지할 수 있는 센서를 개발하였다. 이 센서는 10 N의 인장응력을 적용하여 2%의 변형률에서 게이지 계수가 16000에 도달한다. 이는 높은 신호대잡음비를 가져 정확하게 원하는 진동을 인식할 수 있는 소자로서 외력(압력, 진동)과 생체 신호측정 등 다양한 평가를 통해 센서의 높은 민감도를 증명하였다. 이를 통하여 생체모사 기술을 활용한 새로운 센서의 개발 및 다양한 산업 분야로의 응용 가능성을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Spiders detect even tiny vibrations through their vibrational sensory organs. Leveraging their exceptional vibration sensing abilities, they can detect vibrations caused by prey or predators to plan attacks or perceive threats, utilizing them for survival. This paper introduces a nanoscale crack-based sensor mimicking the spider's sensory organ. Inspired by the slit sensory organ used by spiders to detect vibrations, the sensor with the cracks detects vibrations and pressure with high sensitivity. By controlling the depth of these cracks, they developed a sensor capable of detecting external mechanical signals with remarkable sensitivity. This sensor achieves a gauge factor of 16,000 at 2% strain with an applied tensile stress of 10 N. With high signal-to-noise ratio, it accurately recognizes desired vibrations, as confirmed through various evaluations of external force and biological signals (speech pattern, heart rate, etc.). This underscores the potential of utilizing biomimetic technology for the development of new sensors and their application across diverse industrial fields.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. (a) Images of the sensory slit organs in the vicinity of the leg joint between the tarsus and the metatarsus. (b) Slits connected to the nervous system. (c) Depiction of the crack based sensor and its measurement scheme. (d) SEM image of the zip-like crack junction under varying strains. (e) FEM results of crack interfacial deformation by 0%, 0.5%, 1% strain. ²⁾ Adapted with permission from Ref. 2. © 2014, Springer Nature Limited.
그림 Fig. 2. (a) Multipixel array of the crack sensor (8×8 array) (b) Area where pressure was applied using PDMS. (c) Area where pressure and 0.2 kHz vibration were applied using a flapping ladybird. (d) Representative image depicting the flexibility of the nanoscale crack sensor. (e) Circuit scheme of the array in (d). (f) Pressure distribution with a piece of PDMS and a non-flapping ladybird. (g) Vibration distribution with a piece of PDMS and a flapping ladybird. ²⁾ Adapted with permission from Ref. 2. © 2014, Springer Nature Limited.
그림 Fig. 3. (a) Image of the crack sensor attached to a violin for sound monitoring. (b) E(yellow), A(green), D(blue) and G(red) strings played open produce different wavefunctions. (c) Sound wave of music playing (Salut d'Amour; excerpt shown at top) measured from crack sensor. (d), (e) Acoustic waveform and auditory spectrogram measured by nanoscale crack sensor(left-hand images) and a standing microphone(right-hand images) in quiet (d) and noisy (e; ~92 dB). All of the signals are measurements of a person saying 'go', 'jump', 'shoot' and 'stop'. 2) Adapted with permission from Ref. 2. © 2014, Springer Nature Limited.
그림 Fig. 5. Characteristic of nanoscale crack-based sensor formed by various tensile forces ranging from 2 to 10 N with various moduli of PUA. (a) Crack depth and relative crack depth fabricated by different tensile forces. (b) Gauge Factor with different tensile force. (c) Cyclic test of crack-based sensor. (d) Hysteresis tests with the sensor fabricated by various tensile force. ³⁾ Adapted with permission from Ref. 3. © 2016, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
그림 Fig. 4. (a) Illustrations of the crack based sensor and its photographic images. (b) Sensing mechanism of the sensor for crack deformation when loading and unloading. (c) Geometrical factors of the cracks: crack depth, crack density, crack asperity. (d) Initial crack generation by bending. (e)-(f) The 3D profiles and depths of crack measured by AFM. (g) Crack propagation by additionally applied stretching force. ³⁾ Adapted with permission from Ref. 3. © 2016, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
그림 Fig. 6. Force, vibration, and motion sensing obtained by two different GF sensors (black, 2000 GF with ≈40nm crack depth; red, 16 000 GF with ≈100 nm crack depth). (a) Relative resistance change induced by step force (green: force loading, blue: unloading). (b) Relative resistance change induced by 50Hz vibration. The left inset shows an enlargement of the blue box. The right inset shows the frequency by real time Fourier transform analysis. (c) Real-time monitoring of gesture using two spots on the finger and on the wrist. (d) Backward bending. (e) forward bending. and (f) twisted wrist in the finger was measured. Strain applied in (c)-(f) is about 5%. ³⁾ Adapted with permission from Ref. 3. © 2016, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

참고문헌 (3)

P. Fratzl, F. G. Barth, "Biomaterial systems for mechanosensing？and actuation", Nature, 462, 442-448 (2009).

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D. Kang, P. V. Pikhitsa, Y. W. Choi, C. Lee, S. S. Shin, L. Piao,？B. Park, K.-Y. Suh, T.-I. Kim, M. Choi, "Ultrasensitive？mechanical crack-based sensor inspired by the spider sensory？system", Nature, 516, 222-226 (2014).
B. Park, J. Kim, D. Kang, C. Jeong, K. S. Kim, J. U. Kim, P.？J. Yoo, T.-I. Kim, "Dramatically Enhanced Mechanosensitivity？and Signal-to-Noise Ratio of Nanoscale Crack-Based Sensors:？Effect of Crack Depth", Advanced Materials, 28(37), 8130-8137 (2016).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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