新闻
无人船、潜艇、水下机器人等海洋智能装备的设计已经成为海洋勘探和运输活动中的热门研究方向。复杂海洋环境下的准确感知能力是海洋智能装备安全、稳定、高效运行的关键，尤其是在水下环境中。然而，在水下传输过程中，传统的光学和超声波感知技术受到多种干扰的影响，对水下感知技术提出了新的需求。触觉感知作为一种新的水下环境感知形式，可以为水下设备提供环境信息。海豹以及其他一些海洋动物利用它们的触须作为关键的触觉传感器来定位和跟踪水下尾迹。近年来，基于摩擦起电和静电感应效应的摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator，简称TENG)已发展成为一种创新的机电转换技术，可提供对机械刺激的超高灵敏度，并在能量收集和自供电传感方面表现出优异的性能。因此，大连海事大学徐敏义教授团队与北京大学谢广明教授团队、南开大学陶金副教授合作，设计了一种基于摩擦纳米发电机工作原理仿生海豹触须结构的被动式涡流信息传感器。
该传感器被设计用于捕获由水生生物移动产生的复杂刺激，并使用获得的信号来跟踪它们的水动力轨迹。UBWS的灵感来自于海豹触须的结构特性，并结合了一个独立层式摩擦纳米发电机，使其能够被动地捕获涡流信息。UBWS的设计具备对刺激的高灵敏度响应能力且无需外部电源供电。此外，输出信号与运动参数的相互作用高度相关，利用这一原理来确定水下运动物体的相对运动状态。实验表明，开发的UBWS能够感知水下移动物体产生的水动力轨迹。该工作通过触须对触觉感知的生物学基础的新见解为开发高效的水下机器人传感器提供了新的设计标准。该成果以题为“Underwater Bionic Whisker Sensor Based on Triboelectric Nanogenerator for Passive Vortex Perception”发表于Nano Energy。
图文导读
图1 UBWS的结构设计和工作原理 (a) 海豹用它的胡须追踪水下移动的鱼。(b) 海豹通过涡流对触须的影响来感知目标。(c) UBWS的结构图。(d) 海豹触须结构的扫描电子显微镜图像。(e) 导电油墨电极的扫描电子显微镜图像。(f) 氟化乙烯丙烯 (FEP) 薄膜移动时的电荷分布示意图。
图2. UBWS输出性能 (a)实验装置示意图。(b)在θ= 54°和f = 2 Hz条件下，距离D/L对传感器输出电压信号影响。(c)评估传感器关于D/L-V模型的准确性和泛化性能的留一交叉验证。(d)在D/L= 1和f = 2 Hz条件下，摆角θ对传感器输出电压信号影响。(e)评估传感器关于θ-V模型的准确性和泛化性能的留一交叉验证。(f)UBWS的输出电压、距离和摆角之间的关系。(g)在θ= 54°和D/L= 1条件下，频率f对传感器输出电压信号影响。(h)评估传感器关于f-V模型的准确性和泛化性能的留一交叉验证。(i)UBWS的输出电压、频率和摆角之间的关系。
图3. UBWS理论模型(a)鱼尾后流场示意图。(b)涡流强度、摆角和摆动频率之间的关系。(c)涡流宽度、摆角和摆动频率之间的关系。(d)涡流对触须施加的力示意图。(e)不同涡流宽度条件下涡流强度对触须表面作用力的影响。(f)不同涡旋频率条件下涡旋宽度对触须表面作用力的影响。(g)触须受力偏转的示意图。(h)UBWS输出电压的理论值和不同作用力下的实际测量值。
图4 UBWS 在实时控制和目标运动状态监测中的应用(a)实验电子装置示意图。(b)实验装置示意图。(c)用于控制发光二极管 (LED) 灯的电子模块示意图。(d)UBWS实现目标运动状态监控的逻辑框图.(e)可视化界面和实验装置的示意图。(f)Arduino收集的数据。
图5 UBWS 在目标跟踪中的应用(a)实验装置示意图。(b)-(d)机器鱼运动过程中的三种状态。(e)UBWS相应的输出电压信号。
- 综上所述，该工作提出的基于摩擦纳米发电机的水下仿生触须传感器（UBWS），可作为海洋智能装备感知系统的补充。为论证UBWS的结构、仿生原理和传感原理，给出了在水下目标扰动下UBWS输出的变化趋势。在运动参数不同的情况下，输出峰值与运动参数呈现出良好的相关性趋势，支持对运动信息的准确感知。UBWS的设计思路提高了我们复制海豹卓越的机械感受特性的能力。UBWS拥有动态捕捉涡流信息的能力。UBWS结合阈值逻辑可用于实时控制外部模块，作为与智能设备集成的初步尝试。UBWS还可以与上位机程序结合，监测水下目标的运动状态。此外，将UBWS集成到机器鱼中以跟踪水下目标，说明了UBWS在被动涡流感知方面的潜在应用价值。因此，这项工作为解决当前水下感知技术需求以及拓宽现有技术感知维度提供了一种新颖的解决方案，具有广阔的研究前景。
阅读直达链接：
