高性能航天器的设计与研发是我国由“航天大国”迈向“航天强国”的重要基石。随着我国工程科学领域的飞速发展和一系列战略措施的推进,航天器承担的在轨任务越来繁重,导致航天器结构愈加复杂。同时,航天器长期在轨服役过程中,容易受自身结构和外界环境因素的扰动,引发机械振动和结构变形。这类变形与振动不仅会影响其设计的工作性能,还会影响航天器的操作精度,严重时会对航天器主体结构造成损伤,甚至导致航天任务的失败。因此,对航天器的结构变形状态进行感知与监测,有利于保障航天器整体结构的安全性和可靠性,为提高航天器的工作精度、减少结构维修成本等方面提供有效的技术支撑。然而,航天器复杂的结构设计与极端的工作环境,对柔性传感元件的设计提出了严苛的要求:优异的感知性能与极强的空间适应性,仅凭传统材料和结构设计难以在短期内取得突破。为拓宽柔性应变传感器在航天器结构监测领域应用前景,突破传统结构、材料设计局限,寻求柔性应变传感元件性能优化与空间适用性提升的新方向,迫在眉睫。数亿年几万亿次极为严苛的考验,蝎子早已学会如何利用最小的代价来追求自身功能与结构的最优化,以实现完美的适应演化。为弥补视觉的缺失,蝎子在体表进化出对微振动信号极为敏感的缝感受器,以捕捉周围环境天敌、猎物活动引发的振动。同时,无论是在荒芜的沙漠还是危机四伏的丛林,都可以瞥见蝎子这种古老生物存在的足迹,这表明了其感知器官的安全性与可靠性,使得蝎子具有极强的环境适应能力。生物独特的结构和特殊功能,一直被人类视作技术发明和创造的重要源泉。因此,探寻、模仿蝎子优异的感知功能与环境适应能力,为解决大尺度航天器在轨运行结构健康监测提供了全新的解决途径和理论基础。本文选取了成年彼得异蝎（Heterometrus petersii）作为生物模本。采用多种表征手段,综合超景深光学显微镜、场发射扫描电镜、μ-CT和生物组织超薄切片、纳米压痕仪、傅里叶红外光谱仪、光学接触角测量仪、高速摄像机等多种表征技术,对蝎子缝感受器形态特征、多级跨尺度结构、外界激励作用下的响应过程、表面接触角、粘附性行为、材料组成、力学性能进行研究,得出蝎子通过监测缝感受器缝感知结构处的应变,实现外界微振动信号的灵敏感知。结合Cassie-Baxter模型,阐释了基于跖骨末端表面多尺度微纳结构的自洁功能实现机理。在获得内部组织微纳结构与材料属性的基础上,发现缝感受器在厚度方向上通过多级板层纤维结构赋予感受器承载安全性。结合X射线扫描的三维重构模型,通过有限元模拟分析,提出圆形通孔卸荷效应;结合纳米压痕仪测量数据进行理论分析,发现缝感受器主体梯度刚度分布带来的应力调控效应,两者协同作用,有效地降低因缝结构存在导致的外部载荷集中效应,避免在较大的载荷发生感受器感知结构破坏。随后,针对航天器湿热试验严苛的需求,选取热稳定性良好的陶瓷纤维纸作为传感元件的基材,在其表面加工优化设计后的蝎子缝感受器感知结构与多级乳突结构引入基体表面,研制了一种同时具有耐高温（220℃）、超疏水（接触角约为159°）两种特性的高灵敏（1254.00）仿生柔性应变传感元件。完成了该仿生柔性传感元件的基本性能与基础应用表征（语音识别、微表情识别、人体关节运动监测及非接触式测量等）,并对传感元件在高温高湿环境下的应用进行了初期探索。接着,针对航天器复杂载荷环境,蝎子缝感受器感知结构超敏感知机理和板层状纤维结构承载安全性机制启发,将生物感受器灵敏性与安全性兼顾这一特性融入应变传感元件的设计中,利用玄武岩纤维与Ecoflex弹性体结合研制了一种仿生高强度（拉伸强度高达20 MPa）柔性应变传感元件。随即对其进行基本性能与基础表征进行研究,在此基础上对其感知机理与增强机理进行分析。对传感元件（肌肉微小变形监测、关节宏观变形监测和运动状态识别等）可穿戴领域的应用进行表征,极端工况下（150 N的载荷、水下环境）的应用进行了初期探索。最后,面向航天器构件大变形测量的需求,在蝎子缝感受器主体梯度弹性模量应力调控机制和感受器内部卸荷孔卸荷效应的启发下,将生物结构和材料耦合抗断裂机制引入到裂缝基传感元件框架中,融合机械切割、激光打标、半固化结合技术,研制了一种仿生高灵敏（1720.50）宽域（应变达150%）柔性应变传感元件,并完成了基础性能表征。在此基础上,对其工作机理与补强机制进行了阐释。同时对其在大变形（人体腕关节、膝关节、颈部及脊柱弯曲监测）和小变形（微表情识别、运动状态识别及音乐识别）领域潜在应用分别进行了初期探索。