Adv. Funct. Mater : 利用3D 打印石墨烯压阻式传感器解释波浪状海豹胡须的超灵敏尾迹跟踪能力

【导读】

自1998年以来，海豹胡须的研究引起了越来越多的关注。 发表在Nature和Science杂志上的两篇论文表明，海豹仅使用它们的胡须就能探测到 180 米以外的猎物。 在海豹上开展的行为学实验也表明一只耳朵和眼睛被罩住的海豹可以准确地追踪玩具潜艇。在迎面而来的水流中或在静水中拖曳时，光滑的圆柱通常会由于后方脱落的涡的作用而发生振动，称作涡激振动（vortex-induced vibration, VIV）。先前的研究表明，一些海豹物种，例如斑海豹（Phoca vitulina）和灰海豹（Halichoerus grypus），它们的胡须具有独特的起伏表面结构。海豹的波浪状胡须（图1）使海豹能够抑制其后方脱落的尾涡导致的振动，使得胡须在感知周围流场变化的时候最低限度地抑制自身的振动噪声，从而对周围的水动力学刺激具备高灵敏性。

图1 海豹与其波浪状胡须；海豹追踪鱼类轨迹；水下航行器利用海豹胡须传感器阵列感知周围邻居航行器

【成果掠影】

荷兰格罗宁根大学Zheng, Xingwen*, Amar M. Kamat, Ming Cao, 以及Ajay Giri Prakash Kottapalli等利用3D 打印石墨烯压阻式传感器解释波浪状海豹胡须的超灵敏尾迹跟踪能力。胡须传感器在感知水下扰动信号方面展现高信噪比性能。在未来，胡须传感器阵列将会作为感知系统安置在水下机器人。相关成果以封面论文（图2）“3D Printed Graphene Piezoresistive Microelectromechanical System Sensors to Explain the Ultrasensitive Wake Tracking of Wavy Seal Whiskers”发表在Advanced Functional Materials杂志。对海豹胡须的超灵敏尾迹跟踪能力做了机理探究。

图2 海豹胡须感知机理及其在水下机器人上的应用前景

【数据概览】

在这项工作中，作者开发了一款具备波浪状海豹胡须结构的3D 打印石墨烯压阻式 MEMS 传感器（图3），以解释海豹胡须结构对涡流的灵敏性。这些传感器还被用于测量两类海豹胡须，包括斑海豹（Phoca vitulina）和灰海豹（Halichoerus grypus）胡须的固有频率。测量结果表明所设计的传感器具备替代高成本的激光多普勒测速仪对毫米级胡须的固有频率进行测量的潜力。此外，测量所得的胡须固有频率频率范围与常见鱼类尾涡的脱落频率相当。一系列的有限元仿真结果也被用于实验测量结果进行相互验证。

图3 具备波浪状海豹胡须结构的3D 打印石墨烯压阻式 MEMS 传感器

图4 有限元仿真用于探究海豹胡须的固有频率

此外，传感器还用于探究胡须相对来流的攻角对其涡激振动的影响，这可以解释胡须在海豹主动捕食鱼类时可能的倾向保持的攻角。通过在循环水槽中利用设计的传感器对海豹胡须结构进行振动测量（图5），结果表明海豹胡须的振动频率可以锁定在上游产生的仿鱼类尾涡的传播频率上。此外，胡须传感器通过锁定上游尾涡的传播频率，可以成功地感应到位于10倍于胡须直径远的上游涡流源（图6）。上述工作既揭示了海豹胡须的长距离感知功能的机理，也表明了胡须传感器在感知水下扰动信号方面的高信噪比能力。在未来，胡须传感器阵列将会作为感知系统安置在水下航行器上。利用胡须传感器，水下航行器可以在声学传感器、视觉传感器失效的水下环境中感知周围的航行器。

图5 利用循环水槽对海豹胡须结构进行振动测量

图6 胡须传感器通过锁定上游尾涡的传播频率，可以成功地感应到位于10倍于胡须直径远的上游涡流源

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.202207274

参考文献：

[1] Zheng, Xingwen, Amar M. Kamat, Anastasiia O. Krushynska, Ming Cao, and Ajay Giri Prakash Kottapalli. "3D Printed Graphene Piezoresistive Microelectromechanical System Sensors to Explain the Ultrasensitive Wake Tracking of Wavy Seal Whiskers." Advanced Functional Materials (2022): 2207274.

[2] Zheng, Xingwen, Amar M. Kamat, Ming Cao, and Ajay Giri Prakash Kottapalli. "Wavy Whiskers in Wakes: Explaining the Trail‐Tracking Capabilities of Whisker Arrays on Seal Muzzles." Advanced Science (2022): 2203062.

[3] Dehnhardt, G., Mauck, B., Hanke, W. and Bleckmann, H., 2001. Hydrodynamic trail-following in harbor seals (Phoca vitulina). Science, 293(5527), pp.102-104.

[4] Dehnhardt, G., Mauck, B. and Bleckmann, H., 1998. Seal whiskers detect water movements. Nature, 394(6690), pp.235-236.

【作者介绍】

Xingwen Zheng (郑兴文)，先后在北京大学和荷兰格罗宁根大学完成机器人学和仿生学的博士课题，现为东京大学JSPS特别研究员，开展医工结合机器人微操作研究。主要研究方向包括：仿生机器人、自然启发的传感技术、机器人微操作系统等。

Amar Kamat，获宾夕法尼亚州立大学博士学位，先后在宾西法尼亚州立大学和格罗宁根大学开展博士后研究，现为Sencilia B.V.公司创始人和首席技术官。主要研究方向包括：3D打印技术、传感器、柔性电子等。

Anastasiia Krushynska，获基辅大学博士学位，意大利都灵大学玛丽居里学者，先后在乌克兰、中国台湾，以及荷兰开展博士后研究，现为格罗宁根大学助理教授。主要研究方向包括：声学材料、固体力学等。

Ming Cao (曹明)，IEEE fellow，清华大学本科、硕士毕业，获耶鲁大学博士学位，在普林斯顿大学开展博士后研究，现为格罗宁根大学系统与控制研究方向教授。主要研究方向包括：多智能体系统、复杂系统、传感器网络，以及智能机器人等。

Ajay Kottapalli，获新加坡南洋理工大学博士学位，在新加坡-美国麻省理工学院联合研究与技术中心(SMART)开展博士后研究，现为格罗宁根大学Tenure-track助理教授。主要研究方向包括：MEMS/NEMS技术、仿生学、先进材料、柔性电子等。

论文信息：

3D Printed Graphene Piezoresistive Microelectromechanical System Sensors to Explain the Ultrasensitive Wake Tracking of Wavy Seal Whiskers

Zheng, Xingwen*, Amar M. Kamat, Anastasiia O. Krushynska, Ming Cao, and Ajay Giri Prakash Kottapalli*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202207274

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202207274

本文由作者供稿