基于聚合物的仿生流场传感器领域内的最新进展

发表于 2019-04-25 17:46:27 收藏 已收藏
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基于聚合物的仿生流场传感器领域内的最新进展

发表于 2019-04-25 17:46:27
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当水下航行器航行时所处的水下环境恶劣或较深时,大多数基于视觉的技术手段受限。物竞天择,生物进化出了各种各样的可用于导航、空间定位、捕食和目标监测的高灵敏度流场传感器,为研究人员开发新型导航避障用流场感知器件提供了新思路。

北京航空航天大学仿生与微纳系统研究所蒋永刚、张德远教授于4月18日在线发表了仿鱼类侧线流场感知的前沿综述文章。该综述从鱼类侧线系统及人工侧线系统两个方面总结了近年来侧线感知的研究成果。首先,该综述重点总结了体表神经丘和管道神经丘的高灵敏度流场感知机制,并概述了相应的流场感知算法。其次,探讨了基于不同传感机理的各式人工侧线系统,并着重综述了基于聚合物的仿生流场传感器领域内的最新进展。

(1)鱼类侧线增强感知新机制

鱼侧线系统由众多分布在鱼体上的神经丘组成,如图1a所示。作为侧线系统的功能单元,神经丘是由机械感觉纤毛和非感觉细胞组成的小型感知器官(图1b)。毛细胞内的纤毛束由一个动纤毛和几个较短的呈梯度排布的静纤毛组成(图1c)。神经丘内的纤毛束伸入透明的壶腹顶内,壶腹顶将外部的机械刺激传递到纤毛束,致使纤毛束顶端的离子通道打开或者关闭,进而产生神经信号(图1d)。根据神经丘的位置不同,可以将其分为两大类:位于皮肤表面的体表神经丘(图1e)和位于皮下管道内的管道神经丘(图1f)。

该综述探讨了鱼类侧线的增强感知机制。神经丘的壶腹顶是神经丘与外部环境接触的生物力学界面,其形貌对神经丘的灵敏度具有重要影响。侧线管道不仅可以保护管道神经丘不受机械损伤,还可以作为机械滤波器过滤低频噪音,且其形貌对管道神经丘的灵敏度有很大的影响。通过测量微管道内外的粒子位移,Denton和Gray提出了侧线管道的经典力学模型,该模型表明:大直径的管道比小直径的管道具有更高的灵敏度。一些鱼类的侧线管道在管道神经丘附近具有变径结构,其功能主要有:1)进一步衰减低频域的响应;2)增大管道侧线的截止频率;3)使管道侧线在高频区域具有更高的灵敏度。

图1 鱼侧线系统。(a)鱼侧线分布;(b)侧线神经丘微观结构特征;(c)毛细胞微观结构;(d)纤毛顶端的离子通道;(e)体表神经丘;(f)管道神经丘。

同时,该综述概述了侧线感知流场算法。偶极子常作为在侧线研究中的水动力刺激,用以模仿水生生物的尾部拍打等动作。2008年,Goulet等人提出了鱼侧线对偶极子在二维(图2a-b)及三维空间(图2c-e)内的定位算法。趋流性是鱼类在水流中的一种朝向行为。通过行为学实验,1997年,Montgomery等人认为体表侧线系统协助鱼类完成趋流性这一行为(图2f)。2017年,Oteiza等人报道了斑马鱼在没有视觉信息的情况下可以利用速度梯度来完成趋流性行为,并提出了一种基于局部速度梯度的鱼类感知流场新算法(图2g)。

图2 鱼类侧线流场感知算法。偶极子在二维空间(a-b)和三维空间(c-e)内的定位;(f-g)趋流性行为流场感知机理。

(2)高灵敏度仿侧线传感器

具有高灵敏和高精度流场感知能力的鱼类侧线系统激发了研究人员对高灵敏度仿侧线传感器的开发。体表侧线神经丘在鱼类捕食、趋流性等行为中起着重要作用,其可以感知到小于10⁻⁵m/s的流速。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的Liu和Yang等人研发了压阻式和热线式的仿侧线高灵敏度流速传感器,实现了2.5μm/s的最小流速检测(图3a-e)。新加坡麻省理工学院研究与技术联盟的Miao和Triantafyllou等人开发了各种基于压电和压阻传感机理的柔性仿侧线高灵敏度传感器,成功实现了最小流速8.2 μm/s的探测(图3f-g)。荷兰格罗宁根大学的van Netten 等人研发了基于光纤光栅的高灵敏度仿侧线流速传感器,达到了特定频率下5μm/s的流速感知能力(图3k)。意大利理工学院的Rizzi等人、美国密歇根大学的Tan研究团队相继提出了基于柔性传感悬臂梁的高灵敏度仿侧线流速传感器(图3l-m)。

图3 各种仿侧线流速传感器

与体表侧线相比,管道侧线可以过滤低频噪音,具有高通滤波器的功能,且管道侧线可以探测到0.001Pa/mm量级的压力梯度。受鱼类管道侧线启发,很多研究人员研发了隔膜式压力传感器,实现了最小1Pa压力分辨率(图4a-c)。2011年,美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Liu等人提出了一种基于硅压阻悬臂梁的人工管道侧线,成功实现了管道的过滤功能(图4d)。2015年,德国波恩大学的Bleckmann课题组提出了一种基于柔性光波导的人工管道侧线,实现了管道内185μm/s的速度检测(图4e)。2014年,新加坡南洋理工大学的Miao等人提出了一种基于金压阻单元的仿生管道侧线,验证了管道侧线的过滤功能(图4f)。2017年,北京航空航天大学的蒋永刚等人提出了一种基于聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜的柔性仿生管道侧线,不仅实现了管道侧线的高通滤波功能,而且实现了两侧线孔间0.11Pa的压差检测(图4g)。

(3)挑战与展望

本文对提升流场灵敏度、传感器的耐久性及融合感知机制所面临的技术挑战进行了深入讨论。在如何提升流场传感器灵敏度方面,主要观点为:1)人工侧线传感器可以利用自身结构的谐振频率特性提升其灵敏度;2)人工管道侧线传感器可以通过引入变径结构来提升其灵敏度及其过滤性能;3)将前置放大器集成在传感单元附近,可降低压阻式和压电式传感器受到的强电磁干扰,以提升传感器的灵敏度。在传感器的耐久性方面,该综述总结归纳了几种提升水下传感器防水性能的方法。在传感器分布及融合感知机制方面,该综述认为:1)模仿侧线神经丘的分布特征进行优化传感器的空间分布,可以减少传感器的使用数量及降低经济成本;2)鱼类是运用体表侧线(流速传感器)和管道侧线(压力传感器)的融合感知机制捕捉周围的流场信息,而现有的人工侧线系统多由单一传感模态的流场传感器组成。所以,开发具有流速/压力融合感知功能的人工侧线系统将是一项十分有前景的研究。

图4 仿侧线压力传感器 

相关研究成果以"Flow fieldperception based on the fish lateral line system"为题发表于学术期刊Bioinspir. Biomim.上(DOI: https://doi.org/10.1088/1748-3190/ab1a8d) 。该项工作得到了国家自然科学基金(GrantNo.51575027)的资助。

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