鱼侧线传感系统启发的水下传感系统研究取得进展

发表时间:2022/5/9 1:05:07  浏览次数:1345  
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在自然界中,为了感知周围环境变化,鱼类与水生两栖类动物进化出侧线传感器,实现对周围水流的感知、对礁石等障碍物的判断等多种功能。其中鱼类对水深及振动感知的机理受到广泛关注,因为精准地捕获水下深度与水下振动能够为水下预警、生物追踪、水下环境探索等多种水下活动的开展提供丰富且必要的信息。近年来,柔性传感材料被广泛用于集成各种水下传感器。然而,水环境对传感器传感性能的负面影响仍然存在,且基于柔性传感材料的水下传感器的水下深度探测范围有限。因此,设计一种具有柔性、环境稳定性、水下宽范围深度检测与振动感知的传感器具有重要意义。

近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈涛、副研究员肖鹏基于在碳基/高分子复合薄膜的构筑及其柔性传感器方面的研究基础,受能够感知水深及周围振动的鱼侧线传感系统启发,开发了一种仿鱼侧线水下机械传感器,可实现高效水下探测与振动监测。

本工作采用界面功能化的方法,在空气/水界面实现了石墨烯/Ecoflex复合薄膜的构筑。其中,石墨烯片层半嵌入Ecoflex的结构赋予了该复合薄膜优异的传感性能与稳定性,Ecoflex赋予薄膜良好的力学性能,薄膜整体的超薄结构赋予其卓越的附形性与自支撑性。受鱼侧线传感系统结构启发,研究人员组装了基于石墨烯/Ecoflex薄膜的仿鱼侧线水下机械传感器(LUMS)。研究发现,LUMS中的薄膜自发产生的形变程度随水压的增大而增大,并且能够通过调控薄膜的尺寸实现0.3~1.8m的水下深度探测。同时,LUMS能够对来自地面的机械振动频率、振幅实现实时监测(例如弹珠下落、敲击、跺脚)。此外,LUMS在感知液面微小机械振动方面(例如刮风、下雨、树枝落入水中)表现出高灵敏性,并且能够识别水下生物游过产生的波动。

该研究成果发表在Nano-Micro Lett.(2022, 14,62)上。研究得到国家自然科学基金、国家自然科学基金委中德交流项目、中科院前沿科学重点研究项目等的资助。

鱼侧线传感系统启发的水下传感系统研究取得进展

鱼侧线传感系统启发的自适应水下机械传感器与水下传感示意图

来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所

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