荷蘭格羅寧根大學Advanced Science : 揭示波浪狀海豹胡須的感知機理

【導讀】

大多數哺乳動物，包括鰭足類動物（海豹、海獅和海象）、老鼠、貓和水獺，都有胡須以作為感知水下流場信息的機械傳感器，從而產生對周圍環境進行感知。一些 海豹物種，如灰海豹 (Halichoerus grypus) 和斑海豹 (Phoca vitulina)等的胡須具有獨特的起伏表面結構（圖 1）。 ?在迎面而來的水流中或在靜水中拖曳時，阻流體通常會由于自身后方脫落的交替渦流引起的不穩定性而在橫流方向上振動。 ?如果結構的阻尼足夠低，則阻流體會因脫落渦產生的反作用力而振動，從而引起渦激振動。但之前的研究表明，海豹胡須獨特的起伏表面結構可以抑制渦激振動。由于這種能力，當海豹在捕獵過程中向前游動時，起伏的胡須不會明顯振動，從而增強了胡須對微小的流場擾動（例如逃逸的獵物產生的擾動）的敏感性。 以這種方式，波浪狀的胡須可以具備高信噪比并且對水下生物信號保持敏感，例如逃逸下的魚類的渦流尾跡（圖 2）。相關的海豹行為學實驗還表明海豹僅使用它們的胡須就可以檢測到 180 米以外的獵物。

荷蘭格羅寧根大學課題組Zheng, Xingwen*, Amar M. Kamat, Ming Cao, 以及Ajay Giri Prakash Kottapalli等利用流固耦合仿真和實驗流體力學研究揭示波浪狀海豹胡須的感知機理，相關成果以封面論文發表在Advanced Science雜志。

【數據概覽】

為了進一步對海豹胡須的波浪結構及其感知機理進行探究，來自荷蘭格羅寧根大學課題組的作者Xingwen Zheng, Amar M. Kamat, Ming Cao, 以及Ajay G. P. Kottapalli使用高分辨率的藍光掃描技術掃描了斑海豹和灰海豹的三維結構（圖3，Zheng, Xingwen*, Amar M. Kamat, Ming Cao, and Ajay Giri Prakash Kottapalli*, 2022. Wavy Whiskers in Wakes: Explaining the Trail‐Tracking Capabilities of Whisker Arrays on Seal Muzzles.?Advanced Science, p.2203062.，封面文章）。 而后，通過對掃描獲得的胡須模型的測量，確定沿胡須長度的每個橫截面的形態參數。 通過使用標準橢圓擬合胡須的橫截面， 收集了每個橫截面的五個形態學參數，包括橢圓中心的 x、y 坐標、長軸 a 和短軸 b，以及長軸與水平軸的夾角 theta（圖4）。收集獲得的五個形態參數（圖5）被用于確定描述胡須三維模型的數學模型（圖6）。使用該數學模型，可以生成三維胡須的 CAD 模型，用于準確地重建它們起伏的幾何形狀 （圖7）。

通過流固耦合仿真，作者對比了兩類海豹胡須和光滑圓柱的渦激振動。圓柱和胡須周圍的渦量分布和速度波動揭示了胡須振動與流場之間的相互作用（圖8）。 結果表明，光滑圓柱的渦流強度高于兩類海豹胡須，此外，斑海豹胡須的渦流強度高于灰海豹胡須。上述流場變化也導致了相應的渦激振動關系，表明了海豹胡須確實有渦激振動抑制的作用，而且灰色海豹須的幾何形狀可能具有更優的抑制渦激振動的能力。在對單個晶須模型進行研究后，作者還對胡須陣列進行了模擬（圖9）。

圖8 流場強度: 光滑圓柱>斑海豹胡須>灰海豹胡須

圖9 胡須陣列的流固耦合仿真研究

為了驗證流固耦合仿真的結果，作者設計了一款帶有胡須結構的懸臂梁傳感器，并在循環水槽中測量了胡須在來流中的振動（圖10）。總共開展了兩類實驗，一類是胡須在開闊來流中的振動，另一類是胡須在交替傳播的渦流中的振動，模擬了胡須在自然中魚類尾渦中的振動。結果表明，陣列中相鄰的胡須的相互影響導致了更大的渦流場波動和流場分布區域，從而導致振動相較單個的晶須顯著增加，這表明胡須陣列中存在振動增強效應的可能性。

圖10 胡須陣列的流固耦合仿真研究

【作者介紹】

Xingwen Zheng (鄭興文)，先后在北京大學和荷蘭格羅寧根大學完成機器人學和仿生學的博士課題，現為東京大學JSPS特別研究員，開展醫工結合機器人微操作研究。主要研究方向包括：仿生機器人、自然啟發的傳感技術、機器人微操作系統等。

Amar Kamat，獲賓夕法尼亞州立大學博士學位，先后在賓西法尼亞州立大學和格羅寧根大學開展博士后研究，現為Sencilia B.V.公司創始人和首席技術官。主要研究方向包括：3D打印技術、傳感器、柔性電子等。

Ming Cao (曹明)，IEEE fellow，清華大學本科、碩士畢業，獲耶魯大學博士學位，在普林斯頓大學開展博士后研究，現為格羅寧根大學系統與控制研究方向教授。主要研究方向包括：多智能體系統、復雜系統、傳感器網絡，以及智能機器人等。

Ajay Kottapalli，獲新加坡南洋理工大學博士學位，在新加坡-美國麻省理工學院聯合研究與技術中心(SMART)開展博士后研究，現為格羅寧根大學Tenure-track助理教授。主要研究方向包括：MEMS/NEMS技術、仿生學、先進材料、柔性電子等。

論文信息：

Wavy Whiskers in Wakes: Explaining the Trail‐Tracking Capabilities of Whisker Arrays on Seal Muzzles

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

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202203062

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202203062

本文由作者供稿