Adv. Funct. Mater : 利用3D 打印石墨烯壓阻式傳感器解釋波浪狀海豹胡須的超靈敏尾跡跟蹤能力

【導讀】

自1998年以來，海豹胡須的研究引起了越來越多的關注。 發表在Nature和Science雜志上的兩篇論文表明，海豹僅使用它們的胡須就能探測到 180 米以外的獵物。 在海豹上開展的行為學實驗也表明一只耳朵和眼睛被罩住的海豹可以準確地追蹤玩具潛艇。在迎面而來的水流中或在靜水中拖曳時，光滑的圓柱通常會由于后方脫落的渦的作用而發生振動，稱作渦激振動（vortex-induced vibration, VIV）。先前的研究表明，一些海豹物種，例如斑海豹（Phoca vitulina）和灰海豹（Halichoerus grypus），它們的胡須具有獨特的起伏表面結構。海豹的波浪狀胡須（圖1）使海豹能夠抑制其后方脫落的尾渦導致的振動，使得胡須在感知周圍流場變化的時候最低限度地抑制自身的振動噪聲，從而對周圍的水動力學刺激具備高靈敏性。

圖1 海豹與其波浪狀胡須；海豹追蹤魚類軌跡；水下航行器利用海豹胡須傳感器陣列感知周圍鄰居航行器

【成果掠影】

荷蘭格羅寧根大學Zheng, Xingwen*, Amar M. Kamat, Ming Cao, 以及Ajay Giri Prakash Kottapalli等利用3D 打印石墨烯壓阻式傳感器解釋波浪狀海豹胡須的超靈敏尾跡跟蹤能力。胡須傳感器在感知水下擾動信號方面展現高信噪比性能。在未來，胡須傳感器陣列將會作為感知系統安置在水下機器人。相關成果以封面論文（圖2）“3D Printed Graphene Piezoresistive Microelectromechanical System Sensors to Explain the Ultrasensitive Wake Tracking of Wavy Seal Whiskers”發表在Advanced Functional Materials雜志。對海豹胡須的超靈敏尾跡跟蹤能力做了機理探究。

圖2 海豹胡須感知機理及其在水下機器人上的應用前景

【數據概覽】

在這項工作中，作者開發了一款具備波浪狀海豹胡須結構的3D 打印石墨烯壓阻式 MEMS 傳感器（圖3），以解釋海豹胡須結構對渦流的靈敏性。這些傳感器還被用于測量兩類海豹胡須，包括斑海豹（Phoca vitulina）和灰海豹（Halichoerus grypus）胡須的固有頻率。測量結果表明所設計的傳感器具備替代高成本的激光多普勒測速儀對毫米級胡須的固有頻率進行測量的潛力。此外，測量所得的胡須固有頻率頻率范圍與常見魚類尾渦的脫落頻率相當。一系列的有限元仿真結果也被用于實驗測量結果進行相互驗證。

圖3 具備波浪狀海豹胡須結構的3D 打印石墨烯壓阻式 MEMS 傳感器

圖4 有限元仿真用于探究海豹胡須的固有頻率

此外，傳感器還用于探究胡須相對來流的攻角對其渦激振動的影響，這可以解釋胡須在海豹主動捕食魚類時可能的傾向保持的攻角。通過在循環水槽中利用設計的傳感器對海豹胡須結構進行振動測量（圖5），結果表明海豹胡須的振動頻率可以鎖定在上游產生的仿魚類尾渦的傳播頻率上。此外，胡須傳感器通過鎖定上游尾渦的傳播頻率，可以成功地感應到位于10倍于胡須直徑遠的上游渦流源（圖6）。上述工作既揭示了海豹胡須的長距離感知功能的機理，也表明了胡須傳感器在感知水下擾動信號方面的高信噪比能力。在未來，胡須傳感器陣列將會作為感知系統安置在水下航行器上。利用胡須傳感器，水下航行器可以在聲學傳感器、視覺傳感器失效的水下環境中感知周圍的航行器。

圖5 利用循環水槽對海豹胡須結構進行振動測量

圖6 胡須傳感器通過鎖定上游尾渦的傳播頻率，可以成功地感應到位于10倍于胡須直徑遠的上游渦流源

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.202207274

參考文獻：

[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。

Anastasiia Krushynska，獲基輔大學博士學位，意大利都靈大學瑪麗居里學者，先后在烏克蘭、中國臺灣，以及荷蘭開展博士后研究，現為格羅寧根大學助理教授。主要研究方向包括：聲學材料、固體力學等。

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：

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

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202207274

本文由作者供稿