陈涛、肖鹏等在鱼侧线传感系统启发的水下传感系统方面取得进展

shadan

在自然界中，为了感知周围环境变化，鱼类与水生两栖类动物进化出侧线传感器，实现对周围水流的感知、对礁石等障碍物的判断等多种功能。其中鱼类对水深及振动感知的机理受到广泛关注，因为精准地捕获水下深度与水下振动能够为水下预警、生物追踪、水下环境探索等多种水下活动的开展提供丰富且必要的信息。近年来，柔性传感材料被广泛用于集成各种水下传感器。然而，水环境对传感器传感性能的负面影响仍然存在，且基于柔性传感材料的水下传感器的水下深度探测范围有限。因此，设计一种具有柔性、环境稳定性、水下宽范围深度检测与振动感知的传感器具有重要意义。
　　近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员、肖鹏副研究员基于在碳基/高分子复合薄膜的构筑及其柔性传感器方面的研究基础（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），受能够感知水深及周围振动的鱼侧线传感系统启发，开发了一种仿鱼侧线水下机械传感器，可实现高效水下探测与振动监测。

鱼侧线传感系统启发的自适应水下机械传感器的示意图与水下传感示意图

　　本工作采用界面功能化的方法在空气/水界面实现了石墨烯/Ecoflex复合薄膜的构筑。其中，石墨烯片层半嵌入Ecoflex的结构赋予了该复合薄膜优异的传感性能与稳定性，Ecoflex赋予薄膜良好的力学性能，薄膜整体的超薄结构赋予其卓越的附形性与自支撑性。随后，受鱼侧线传感系统结构启发，组装了基于石墨烯/Ecoflex薄膜的仿鱼侧线水下机械传感器（LUMS）。研究发现，LUMS中的薄膜自发产生的形变程度随水压的增大而增大，并且能够通过调控薄膜的尺寸实现0.3～1.8m的水下深度探测。同时，LUMS能够对来自地面的机械振动频率、振幅实现实时监测（例如弹珠下落、敲击、跺脚）。此外，LUMS在感知液面微小机械振动方面（例如刮风、下雨、树枝落入水中）表现出高灵敏性，并且能够识别水下生物游过产生的波动。总的来说，仿鱼侧线水下传感器有望在水下监测、水下通信以及水下预警等领域发挥重要作用。
　　该工作以题为“Bioinspired Adaptive, Elastic and Conductive Graphene Structured Thin-Films Achieving High-Efficiency Underwater Detection and Vibration Perception”的论文发表在Nano-Micro Lett., 2022, 14，62 。本研究得到了国家自然科学基金（52073295，51803226）、国家自然科学基金委中德交流项目（M-0424）、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH036）、中国科学院国际合作局（174433KYSB20170061）、宁波市科技局（2021Z127）及王宽诚国际交叉团队（GJTD-2019-13）等项目的资助。


        


      文章来源：宁波材料所
       陈涛，博士，研究员，博士生导师。2006年毕业于浙江大学化学反应工程国家重点实验室，获得高分子化学与物理博士学位。先后于2006年到2007年在英国华威大学(University of Warwick)化学系及于2007年到2010年在美国杜克大学(Duke University)材料科学与工程系从事博士后研究；2010年到2012年，作为洪堡学者在德国德累斯顿工业大学(Technische Universität Dresden)化学系从事科研工作。加入中科院宁波材料所，组建智能高分子材料课题组。在Chemical Society Review, Progress Polymer Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Science, Chemistry of Materials, Small, Chemical Communications, ACS Appl. Mater. Interfaces, Journal of Materials Chemistry A-C, Polymer Chemistry, Scientific Report, Macromolecular Rapid Communications, Langmuir, Soft Matter, Advanced Materials Interfaces, Journal of Physical Chemistry B和Polymer等期刊上发表一作/通讯作者SCI学术论文70余篇，共发表SCI论文120余篇，引用1900余次，H因子为24，合作出版专著4本，申请15项国家发明专利，5项获得授权。