寧波材料所在魚側(cè)線傳感系統(tǒng)啟發(fā)的水下傳感系統(tǒng)方面取得進(jìn)展
在自然界中，為了感知周圍環(huán)境變化，魚類與水生兩棲類動物進(jìn)化出側(cè)線傳感器，實現(xiàn)對周圍水流的感知、對礁石等障礙物的判斷等多種功能。其中魚類對水深及振動感知的機理受到廣泛關(guān)注，因為精準(zhǔn)地捕獲水下深度與水下振動能夠為水下預(yù)警、生物追蹤、水下環(huán)境探索等多種水下活動的開展提供豐富且必要的信息。近年來，柔性傳感材料被廣泛用于集成各種水下傳感器。然而，水環(huán)境對傳感器傳感性能的負(fù)面影響仍然存在，且基于柔性傳感材料的水下傳感器的水下深度探測范圍有限。因此，設(shè)計一種具有柔性、環(huán)境穩(wěn)定性、水下寬范圍深度檢測與振動感知的傳感器具有重要意義。
近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員、肖鵬副研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感器方面的研究基礎(chǔ)（ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Nature Commun., 2020, 11, 4359; Nano Energy, 2021, 81, 105617; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2105323; Nano-Micro Lett.,2022, 14, 32等），受能夠感知水深及周圍振動的魚側(cè)線傳感系統(tǒng)啟發(fā)，開發(fā)了一種仿魚側(cè)線水下機械傳感器，可實現(xiàn)高效水下探測與振動監(jiān)測。
本工作采用界面功能化的方法在空氣/水界面實現(xiàn)了石墨烯/Ecoflex復(fù)合薄膜的構(gòu)筑。其中，石墨烯片層半嵌入Ecoflex的結(jié)構(gòu)賦予了該復(fù)合薄膜優(yōu)異的傳感性能與穩(wěn)定性，Ecoflex賦予薄膜良好的力學(xué)性能，薄膜整體的超薄結(jié)構(gòu)賦予其卓越的附形性與自支撐性。隨后，受魚側(cè)線傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)啟發(fā)，組裝了基于石墨烯/Ecoflex薄膜的仿魚側(cè)線水下機械傳感器（LUMS）。研究發(fā)現(xiàn)，LUMS中的薄膜自發(fā)產(chǎn)生的形變程度隨水壓的增大而增大，并且能夠通過調(diào)控薄膜的尺寸實現(xiàn)0.3～1.8m的水下深度探測。同時，LUMS能夠?qū)碜缘孛娴臋C械振動頻率、振幅實現(xiàn)實時監(jiān)測（例如彈珠下落、敲擊、跺腳）。此外，LUMS在感知液面微小機械振動方面（例如刮風(fēng)、下雨、樹枝落入水中）表現(xiàn)出高靈敏性，并且能夠識別水下生物游過產(chǎn)生的波動?？偟膩碚f，仿魚側(cè)線水下傳感器有望在水下監(jiān)測、水下通信以及水下預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
該工作以題為“Bioinspired Adaptive, Elastic and Conductive Graphene Structured Thin-Films Achieving High-Efficiency Underwater Detection and Vibration Perception”的論文發(fā)表在Nano-Micro Lett., 2022, 14，62 。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（52073295，51803226）、國家自然科學(xué)基金委中德交流項目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國科學(xué)院國際合作局（174433KYSB20170061）、寧波市科技局（2021Z127）及王寬誠國際交叉團隊（GJTD-2019-13）等項目的資助。
魚側(cè)線傳感系統(tǒng)啟發(fā)的自適應(yīng)水下機械傳感器的示意圖與水下傳感示意圖
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