基于聚合物的仿生流場傳感器領(lǐng)域內(nèi)的最新進(jìn)展

當(dāng)水下航行器航行時所處的水下環(huán)境惡劣或較深時，大多數(shù)基于視覺的技術(shù)手段受限。物競天擇，生物進(jìn)化出了各種各樣的可用于導(dǎo)航、空間定位、捕食和目標(biāo)監(jiān)測的高靈敏度流場傳感器，為研究人員開發(fā)新型導(dǎo)航避障用流場感知器件提供了新思路。

北京航空航天大學(xué)仿生與微納系統(tǒng)研究所蔣永剛、張德遠(yuǎn)教授于4月18日在線發(fā)表了仿魚類側(cè)線流場感知的前沿綜述文章。該綜述從魚類側(cè)線系統(tǒng)及人工側(cè)線系統(tǒng)兩個方面總結(jié)了近年來側(cè)線感知的研究成果。首先，該綜述重點(diǎn)總結(jié)了體表神經(jīng)丘和管道神經(jīng)丘的高靈敏度流場感知機(jī)制，并概述了相應(yīng)的流場感知算法。其次，探討了基于不同傳感機(jī)理的各式人工側(cè)線系統(tǒng)，并著重綜述了基于聚合物的仿生流場傳感器領(lǐng)域內(nèi)的最新進(jìn)展。

（1）魚類側(cè)線增強(qiáng)感知新機(jī)制

魚側(cè)線系統(tǒng)由眾多分布在魚體上的神經(jīng)丘組成，如圖1a所示。作為側(cè)線系統(tǒng)的功能單元，神經(jīng)丘是由機(jī)械感覺纖毛和非感覺細(xì)胞組成的小型感知器官(圖1b)。毛細(xì)胞內(nèi)的纖毛束由一個動纖毛和幾個較短的呈梯度排布的靜纖毛組成(圖1c)。神經(jīng)丘內(nèi)的纖毛束伸入透明的壺腹頂內(nèi)，壺腹頂將外部的機(jī)械刺激傳遞到纖毛束，致使纖毛束頂端的離子通道打開或者關(guān)閉，進(jìn)而產(chǎn)生神經(jīng)信號(圖1d)。根據(jù)神經(jīng)丘的位置不同，可以將其分為兩大類：位于皮膚表面的體表神經(jīng)丘(圖1e)和位于皮下管道內(nèi)的管道神經(jīng)丘(圖1f)。

該綜述探討了魚類側(cè)線的增強(qiáng)感知機(jī)制。神經(jīng)丘的壺腹頂是神經(jīng)丘與外部環(huán)境接觸的生物力學(xué)界面，其形貌對神經(jīng)丘的靈敏度具有重要影響。側(cè)線管道不僅可以保護(hù)管道神經(jīng)丘不受機(jī)械損傷，還可以作為機(jī)械濾波器過濾低頻噪音，且其形貌對管道神經(jīng)丘的靈敏度有很大的影響。通過測量微管道內(nèi)外的粒子位移，Denton和Gray提出了側(cè)線管道的經(jīng)典力學(xué)模型，該模型表明：大直徑的管道比小直徑的管道具有更高的靈敏度。一些魚類的側(cè)線管道在管道神經(jīng)丘附近具有變徑結(jié)構(gòu)，其功能主要有：1）進(jìn)一步衰減低頻域的響應(yīng)；2）增大管道側(cè)線的截止頻率；3）使管道側(cè)線在高頻區(qū)域具有更高的靈敏度。

圖1 魚側(cè)線系統(tǒng)。（a）魚側(cè)線分布；（b）側(cè)線神經(jīng)丘微觀結(jié)構(gòu)特征；（c）毛細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)；（d）纖毛頂端的離子通道；（e）體表神經(jīng)丘；（f）管道神經(jīng)丘。

同時，該綜述概述了側(cè)線感知流場算法。偶極子常作為在側(cè)線研究中的水動力刺激，用以模仿水生生物的尾部拍打等動作。2008年，Goulet等人提出了魚側(cè)線對偶極子在二維（圖2a-b）及三維空間（圖2c-e）內(nèi)的定位算法。趨流性是魚類在水流中的一種朝向行為。通過行為學(xué)實驗，1997年，Montgomery等人認(rèn)為體表側(cè)線系統(tǒng)協(xié)助魚類完成趨流性這一行為（圖2f）。2017年，Oteiza等人報道了斑馬魚在沒有視覺信息的情況下可以利用速度梯度來完成趨流性行為，并提出了一種基于局部速度梯度的魚類感知流場新算法（圖2g）。

圖2 魚類側(cè)線流場感知算法。偶極子在二維空間（a-b）和三維空間（c-e）內(nèi)的定位；（f-g）趨流性行為流場感知機(jī)理。

(2)高靈敏度仿側(cè)線傳感器

具有高靈敏和高精度流場感知能力的魚類側(cè)線系統(tǒng)激發(fā)了研究人員對高靈敏度仿側(cè)線傳感器的開發(fā)。體表側(cè)線神經(jīng)丘在魚類捕食、趨流性等行為中起著重要作用，其可以感知到小于10??m/s的流速。美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）的Liu和Yang等人研發(fā)了壓阻式和熱線式的仿側(cè)線高靈敏度流速傳感器，實現(xiàn)了2.5μm/s的最小流速檢測（圖3a-e）。新加坡麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟的Miao和Triantafyllou等人開發(fā)了各種基于壓電和壓阻傳感機(jī)理的柔性仿側(cè)線高靈敏度傳感器，成功實現(xiàn)了最小流速8.2 μm/s的探測（圖3f-g）。荷蘭格羅寧根大學(xué)的van Netten 等人研發(fā)了基于光纖光柵的高靈敏度仿側(cè)線流速傳感器，達(dá)到了特定頻率下5μm/s的流速感知能力（圖3k）。意大利理工學(xué)院的Rizzi等人、美國密歇根大學(xué)的Tan研究團(tuán)隊相繼提出了基于柔性傳感懸臂梁的高靈敏度仿側(cè)線流速傳感器（圖3l-m）。

圖3 各種仿側(cè)線流速傳感器

與體表側(cè)線相比，管道側(cè)線可以過濾低頻噪音，具有高通濾波器的功能，且管道側(cè)線可以探測到0.001Pa/mm量級的壓力梯度。受魚類管道側(cè)線啟發(fā)，很多研究人員研發(fā)了隔膜式壓力傳感器，實現(xiàn)了最小1Pa壓力分辨率（圖4a-c）。2011年，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Liu等人提出了一種基于硅壓阻懸臂梁的人工管道側(cè)線，成功實現(xiàn)了管道的過濾功能（圖4d）。2015年，德國波恩大學(xué)的Bleckmann課題組提出了一種基于柔性光波導(dǎo)的人工管道側(cè)線，實現(xiàn)了管道內(nèi)185μm/s的速度檢測（圖4e）。2014年，新加坡南洋理工大學(xué)的Miao等人提出了一種基于金壓阻單元的仿生管道側(cè)線，驗證了管道側(cè)線的過濾功能（圖4f）。2017年，北京航空航天大學(xué)的蔣永剛等人提出了一種基于聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電薄膜的柔性仿生管道側(cè)線，不僅實現(xiàn)了管道側(cè)線的高通濾波功能，而且實現(xiàn)了兩側(cè)線孔間0.11Pa的壓差檢測（圖4g）。

(3)挑戰(zhàn)與展望

本文對提升流場靈敏度、傳感器的耐久性及融合感知機(jī)制所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入討論。在如何提升流場傳感器靈敏度方面，主要觀點(diǎn)為：1）人工側(cè)線傳感器可以利用自身結(jié)構(gòu)的諧振頻率特性提升其靈敏度；2）人工管道側(cè)線傳感器可以通過引入變徑結(jié)構(gòu)來提升其靈敏度及其過濾性能；3）將前置放大器集成在傳感單元附近，可降低壓阻式和壓電式傳感器受到的強(qiáng)電磁干擾，以提升傳感器的靈敏度。在傳感器的耐久性方面，該綜述總結(jié)歸納了幾種提升水下傳感器防水性能的方法。在傳感器分布及融合感知機(jī)制方面，該綜述認(rèn)為：1）模仿側(cè)線神經(jīng)丘的分布特征進(jìn)行優(yōu)化傳感器的空間分布，可以減少傳感器的使用數(shù)量及降低經(jīng)濟(jì)成本；2）魚類是運(yùn)用體表側(cè)線（流速傳感器）和管道側(cè)線（壓力傳感器）的融合感知機(jī)制捕捉周圍的流場信息，而現(xiàn)有的人工側(cè)線系統(tǒng)多由單一傳感模態(tài)的流場傳感器組成。所以，開發(fā)具有流速/壓力融合感知功能的人工側(cè)線系統(tǒng)將是一項十分有前景的研究。

圖4 仿側(cè)線壓力傳感器

相關(guān)研究成果以"Flow fieldperception based on the fish lateral line system"為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Bioinspir. Biomim.上(DOI: https://doi.org/10.1088/1748-3190/ab1a8d) 。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金（GrantNo.51575027）的資助。