靈敏感知水下環境，這種傳感器“長”了魚側線
發布時間：2022-03-16 17:20:25
文章來源：信息新報
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洪恒飛 本報記者 江 耘
從外觀上看，這一水下傳感器由兩個圓柱形蓋狀PET拼接組裝，總高度和直徑均約為幾厘米，體積較小。單個仿魚側線水下傳感器總重量僅7克左右。在測試中，這一傳感器中自支撐薄膜在不同的水下深度發生不同程度的形變，并實時輸出相應的電流信號變化，從而實現實時的水深探測。
岸上的行人稍一靠近，原本在近岸悠哉游弋的魚群會立刻退避、保持安全距離……這一感知能力，來自魚類與水生兩棲類動物進化出的側線傳感器，動物們通過這種傳感器判斷周圍水流、礁石等環境變化，從而躲避侵害。
近日，記者從中國科學院寧波材料技術與工程研究所獲悉，該所陳濤研究員、肖鵬副研究員開發了基于石墨烯/Ecoflex薄膜的仿魚側線水下機械傳感器，能夠感知水下生物游過時產生的波動，并通過調控自支撐復合薄膜的尺寸實現0.3-1.8米的水下深度探測。相關論文近期發表在學術期刊《納微快報》。
裝配柔性傳感材料調整探測極限值
魚類側線感知系統由魚鱗片上的孔洞、側線管和神經組成，魚體兩側一般各有一條，側線管內充滿黏液，其感覺器神經丘即浸潤在黏液中。當魚身受到水流沖擊，水流產生的壓力會通過側線管上的小孔進入管內，引起黏液流動，使魚感受到外界刺激。
近年來，柔性傳感材料被廣泛用于集成各種水下傳感器。然而，水環境對傳感器傳感性能的負面影響仍然存在，且基于柔性傳感材料的水下傳感器的水下深度探測范圍有限。
如果能像魚一樣精準捕獲水下深度與振動，便可為水下預警、生物追蹤、水下環境探索等多種水下活動的開展提供豐富且必要的信息。
“團隊先構筑了石墨烯/Ecoflex復合薄膜，其中Ecoflex是一種生物相容性極好的彈性體。”肖鵬介紹，由此開發的仿魚側線水下傳感器主要由石墨烯/Ecoflex復合薄膜、PET塑料模具、電極及導線四部分構成。
從外觀上看，這一水下傳感器由兩個圓柱形蓋狀PET拼接組裝，總高度和直徑均約為幾厘米，體積較小。單個仿魚側線水下傳感器總重量僅7克左右。
肖鵬介紹，在測試中，這一傳感器中自支撐薄膜在不同的水下深度會發生不同程度的形變，并實時輸出相應的電流信號變化，從而實現實時的水深探測。
研究團隊設計了不同自支撐薄膜直徑的水下傳感器，它們在水下深度測試時輸出的電流信號均呈現階梯狀變化，整體上，最大水下檢測深度與自支撐薄膜直徑成正相關。
“由此推測，當傳感器中自支撐薄膜的直徑進一步增加時，相應的最大水下檢測深度隨之增大。”肖鵬表示，目前直徑25毫米的薄膜可檢測到水下1.8米的深度，但這不是它的檢測極限。理論上，通過增大薄膜的直徑可有效拓展它的檢測深度。
感知液面微小振動可用于生物追蹤
據了解，用于檢測水下深度的水下傳感器通常以超疏水導電泡沫為主，其對深度的檢測范圍很窄，一般只有幾十厘米，且在長期應用中面臨著超疏水失效等問題。
相較于其他水下傳感器，研究團隊開發的基于柔性導電薄膜的仿魚側線水下傳感器不需要進行特殊的超疏水處理，并且結構簡單，檢測深度深，對振動信號響應靈敏、水下檢測深度范圍可調。
“在實驗中，這一傳感器在感知液面微小機械振動方面，例如刮風、下雨、樹枝落入水中引起液面波動，均表現出高靈敏性。”肖鵬介紹，實際應用中，可以分析傳感器輸出電信號的頻率、波形、強度等信息進一步分析可能存在的刺激源，從而起到水下預警的目的。
肖鵬說，此外，相較于目前其他類型傳感器，這一傳感器外觀上的優勢就是厚度超薄，并且器件體積小，整體上呈透明，薄膜部分呈銀色，這跟一些魚類的顏色十分相近，不容易被生物察覺，可以較好地進行偽裝。
記者了解到，目前傳感器的單個制備材料成本不超過5元，未來可將其集成并應用到水下仿生機器人上進行實時感知，從而進行生物追蹤。
“下一步，我們打算進一步優化提升這一傳感器的性能，同時拓展它的多功能應用。”肖鵬表示，團隊也會考慮同相關傳感器的廠商合作進行進一步研發，推動其產業化。
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