靈敏感知水下環(huán)境，這種傳感器“長”了魚側(cè)線

洪恒飛　江耘

岸上的行人稍一靠近，原本在近岸悠哉游弋的魚群會(huì)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(dòng)物進(jìn)化出的側(cè)線傳感器，動(dòng)物們通過這種傳感器判斷周圍水流、礁石等環(huán)境變化，從而躲避侵害。

近日，記者從中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所獲悉，該所陳濤研究員、肖鵬副研究員開發(fā)了基于石墨烯/Ecoflex薄膜的仿魚側(cè)線水下機(jī)械傳感器，能夠感知水下生物游過時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)，并通過調(diào)控自支撐復(fù)合薄膜的尺寸實(shí)現(xiàn)0.3—1.8米的水下深度探測。相關(guān)論文近期發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《納微快報(bào)》。

裝配柔性傳感材料 調(diào)整探測極限值

魚類側(cè)線感知系統(tǒng)由魚鱗片上的孔洞、側(cè)線管和神經(jīng)組成，魚體兩側(cè)一般各有一條，側(cè)線管內(nèi)充滿黏液，其感覺器神經(jīng)丘即浸潤在黏液中。當(dāng)魚身受到水流沖擊，水流產(chǎn)生的壓力會(huì)通過側(cè)線管上的小孔進(jìn)入管內(nèi)，引起黏液流動(dòng)，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(huán)境對傳感器傳感性能的負(fù)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(zhǔn)捕獲水下深度與振動(dòng)，便可為水下預(yù)警、生物追蹤、水下環(huán)境探索等多種水下活動(dòng)的開展提供豐富且必要的信息。

“團(tuán)隊(duì)先構(gòu)筑了石墨烯/Ecoflex復(fù)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(fā)的仿魚側(cè)線水下傳感器主要由石墨烯/Ecoflex復(fù)合薄膜、PET塑料模具、電極及導(dǎo)線四部分構(gòu)成。

從外觀上看，這一水下傳感器由兩個(gè)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(gè)仿魚側(cè)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(huì)發(fā)生不同程度的形變，并實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的電流信號變化，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的水深探測。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)輸出的電流信號均呈現(xiàn)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(guān)。

“由此推測，當(dāng)傳感器中自支撐薄膜的直徑進(jìn)一步增加時(shí)，相應(yīng)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(dòng) 可用于生物追蹤

據(jù)了解，用于檢測水下深度的水下傳感器通常以超疏水導(dǎo)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(yīng)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(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于柔性導(dǎo)電薄膜的仿魚側(cè)線水下傳感器不需要進(jìn)行特殊的超疏水處理，并且結(jié)構(gòu)簡單，檢測深度深，對振動(dòng)信號響應(yīng)靈敏、水下檢測深度范圍可調(diào)。

“在實(shí)驗(yàn)中，這一傳感器在感知液面微小機(jī)械振動(dòng)方面，例如刮風(fēng)、下雨、樹枝落入水中引起液面波動(dòng)，均表現(xiàn)出高靈敏性。”肖鵬介紹，實(shí)際應(yīng)用中，可以分析傳感器輸出電信號的頻率、波形、強(qiáng)度等信息進(jìn)一步分析可能存在的刺激源，從而起到水下預(yù)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(yōu)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(jìn)行偽裝。

記者了解到，目前傳感器的單個(gè)制備材料成本不超過5元，未來可將其集成并應(yīng)用到水下仿生機(jī)器人上進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，從而進(jìn)行生物追蹤。