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        靈敏感知水下環(huán)境,這種傳感器“長(zhǎng)”了魚側(cè)線

        2022-04-02 23:27:47洪恒飛江耘
        科學(xué)導(dǎo)報(bào) 2022年17期
        關(guān)鍵詞:側(cè)線傳感薄膜

        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(guó)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(cè)。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(cè)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(rùn)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(duì)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(cè)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?jī)H7克左右。

        肖鵬介紹,在測(cè)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(hào)變化,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的水深探測(cè)。

        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?cè)谒律疃葴y(cè)試時(shí)輸出的電流信號(hào)均呈現(xiàn)階梯狀變化,整體上,最大水下檢測(cè)深度與自支撐薄膜直徑成正相關(guān)。

        “由此推測(cè),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(cè)深度隨之增大?!毙i表示,目前直徑25毫米的薄膜可檢測(cè)到水下1.8米的深度,但這不是它的檢測(cè)極限。理論上,通過增大薄膜的直徑可有效拓展它的檢測(cè)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(cè)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(duì)深度的檢測(cè)范圍很窄,一般只有幾十厘米,且在長(zhǎng)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(jiǎn)單,檢測(cè)深度深,對(duì)振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)靈敏、水下檢測(cè)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?!毙i介紹,實(shí)際應(yīng)用中,可以分析傳感器輸出電信號(hào)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(shì)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。

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