程江涛获得国际资助，研究蜘蛛网作为生物传感器

你在院子里看到的露水覆盖的蜘蛛网可能很快就会成为检测空气传播病毒的平台。这是机械工程系副教授程江涛的目标，他获得了美国-以色列两国科学基金会（BSF）的国际资助，以建立生物启发技术，可以作为COVID等病原体的早期预警系统。

液滴作为传感器

Cheng在将微米和纳米级流体与激光等光学技术相结合方面建立了深厚的研究组合。过去的项目包括结合液滴和激光以快速识别 COVID-19 以及创建先进光学设备的新方法。

在研究了二十多年的最小尺度上的流体行为之后，Cheng看到了一些利用流体特性的独特机会。液滴既是球形又是粘性的，它们也会折射和捕获光。几年前，他的团队发表了关于可能利用所有三种特性将单个水滴转化为生物传感器的研究结果。

这将如何完成？水滴由于其粘性，可以捕获在其周围环境空气中循环的颗粒。这些微小的碎片可能会卡在液滴内或粘附在其表面。在微米和纳米尺度上，水成为各种细菌、病毒甚至尘螨的运输载体。

一旦液滴的乘客搭便车，Cheng的团队发现可以将激光引导到液滴中以确定乘客是什么。

激光不仅仅是灯光秀，它们还可以收集和传递包含分析物指纹样信息的数据。当激光击中水滴时，球形圆度和折射特性会引起内部反射，像弹球一样在水滴内部反弹，然后带着它收集的所有乘客数据离开。当团队成员收到这些数据时，他们可以翻译信息以实时告诉他们激光发现了什么。

蜘蛛网上的感应

如何在大面积上部署此方法以进行实际应用？由于水滴很小，因此从每个水滴中收集数据是非常不切实际的。即使在狭小的空间内，每个液滴部署一个激光器也需要一个巨大的激光阵列，并以令人难以置信的能量和成本为后盾。该团队需要开发一种方法，使用单个激光器从液滴阵列中接收足够的数据。

为了观察自然，Cheng的团队在蜘蛛网上使用了自然凝结的露珠。迷雾蜘蛛网不仅美丽，而且还具有独特的科学特性。他们的丝绸是Cheng团队使用的光束的极好载体，互连的网状结构作为一个现成的网络，既可以携带激光的信息数据，又可以将露珠保持在网络上以捕获空气中的分析物。丝波导和液滴作为一个单元工作，在蜘蛛网平台上形成传感系统。

为了提高检测灵敏度，该团队还需要一种方法将更多的分析物颗粒放入液滴中。虽然微小的液体收集器在保持颗粒方面做得很好，但液滴仍然很小，无法伸手从周围环境中抓取足够的目标分析物。为了检测稀疏分布的病原体，该团队的飞沫检测器必须获得更多的病原体。

为了解决这个问题，该团队将在附近安装一个小电极，可以为空气中的颗粒充电，使它们自动被织带吸引。Cheng的团队发现，这种方法可以提供更高的收集率和更高的初始稀释分析物检测，否则这些分析物会更广泛地传播。

采用 3D 打印的仿生网

Cheng的团队在BSF提供的资金下有几个目标。

第一个目标是3D打印网。Cheng的仿生蜘蛛网由有机和合成材料组合而成。为了创建一个柔软而有弹性的网，该团队使用封装在聚合物外壳内的流体。外壳保持网的形状并保持水滴到位，而流体用紫外线固化，使网稳定和灵活。这两种材料都是出色的光学导体，相当于耐用的传感工程环境。

该项目的一部分包括一个用于同时3D打印外壳和流体的新系统，但目前，该团队将首先制作一个空心的网壳，注入流体，然后固化它。

由于网需要容纳大量的水滴，因此该团队将被设计为将水保持在某些位置，确保存在更多的水滴以捕获空气中的分析物。网的设计还将使光束将在整个结构中轻松传播并返回传感器，从而有效地提供指纹数据。

在团队制造出合成网后，研究人员将分析捕获的分析物。汉普顿大学（Hampton University）副教授强乐（Qiang Le）正在与Cheng的团队合作开发一款智能手机应用程序，以提供结果，为将警报部署到校园安全网络奠定了基础。

“由于该网络具有便携式功能，可在住宅和周围环境中部署，因此在环境保护，传染病监测，法医学和全球安全方面至关重要，”程说。“每个部署的蜘蛛网传感器都可以为所有人的健康和安全提供实时信息。我们期待看到它在部署时如何工作。