子非魚，安知魚之樂”——從魚的視角“看”世界

莊子與惠子的“子非魚，安知魚之樂？”“子非我，安知我不知魚之樂？”相爭持續(xù)了兩千年，那么“魚之樂”是怎么樣的呢？魚又是怎樣“看世界”的呢？

原來魚具有特殊的皮膚感受器——側(cè)線，主要分布在頭部的眼眶上下部還有魚體兩側(cè)（圖1 a），由鱗片上的孔結(jié)構(gòu)、充滿粘液的側(cè)線管以及感覺器神經(jīng)丘組成。當(dāng)魚在水中下潛或者水流速度發(fā)生變化時(shí)，水壓能夠通過側(cè)線管上方魚鱗片的孔洞結(jié)構(gòu)傳遞到側(cè)線管中的粘液（圖1 b），并進(jìn)一步通過浸潤在粘液中的神經(jīng)丘（圖1 c）傳遞到神經(jīng)中樞。這樣，魚就能“看”到周圍水深還有水流速度。

圖1.a)魚側(cè)線的主要位置（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）；b)魚側(cè)線感知機(jī)理圖；c）側(cè)線管內(nèi)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)示意圖

隨著對水下世界的探索，基于柔性傳感材料的水下傳感器被廣泛研究。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(jì)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(dòng)感知能力的傳感器具有重要意義。

受魚側(cè)線傳感器啟發(fā)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)與機(jī)理都與側(cè)線傳感器相似的水下傳感器（LUMS），幫助我們探索水下深度、感知水下環(huán)境。該傳感器由石墨烯/Ecoflex復(fù)合薄膜、PET塑料模具、電極及導(dǎo)線四部分構(gòu)成（圖2），總高度為27 mm，最大直徑為56 mm，單個(gè)傳感器成本不超過5元。

圖2. 仿魚側(cè)線水下機(jī)械傳感器實(shí)物照片

傳感器中的自支撐薄膜部分通過模型中的孔洞暴露在水環(huán)境中，水壓透過孔洞作用于傳感薄膜。這時(shí)，薄膜在水壓和空氣腔中的氣壓共同作用下快速變形到平衡狀態(tài)（圖3 a），同時(shí)傳感器中的石墨烯充當(dāng)神經(jīng)元將水壓變化傳遞到神經(jīng)中樞（電信號顯示器）。在不同的深度下，薄膜的形變程度不同（圖3 b），因此傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)水下深度探測。通過調(diào)控自支撐薄膜的直徑，仿魚側(cè)線水下傳感器可以實(shí)現(xiàn)1.8 m深的水下探測范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他柔性傳感器水下深度探測范圍。

圖3. a）仿魚側(cè)線水下傳感器感知不同深度機(jī)理圖；b）自支撐薄膜直徑為10 mm的仿魚側(cè)線水下傳感器在不同水下深度的形變照片

在生活中，我們稍加留意就會(huì)發(fā)現(xiàn)，魚在“看”到岸邊的人跺腳時(shí)會(huì)受到驚嚇般游走，魚群在石頭投入池塘中時(shí)也會(huì)快速散去，稍微感受到一點(diǎn)風(fēng)吹草動(dòng)就會(huì)逃走，在偵察敵情這上面小魚們可是滿分選手。

在實(shí)驗(yàn)中，仿魚側(cè)線水下傳感器也展現(xiàn)出了超高的警惕性。當(dāng)在液面上方施加不同速度的模擬風(fēng)時(shí)，LUMS可以快速感知風(fēng)引起的液面波動(dòng)。如圖4 a所示，3.4 m/s和4.2 m/s風(fēng)速引起的相對電阻變化顯示出明顯差異。除不同風(fēng)速外，LUMS還能夠有效地識(shí)別分別從液面上方20 cm、40 cm及60 cm處落下的水滴（圖4 b）。我們系統(tǒng)地模擬了下雨場景，圖4 c表明LUMS可以定期響應(yīng)不同強(qiáng)度的模擬降雨，包括60 mL/min、144 mL/min和490 mL/min。更有趣的是，LUMS還能夠感知到魚鉤掉落水中（圖4 d），并檢測到一些自然落下的物體，如樹葉、樹枝和石頭（圖4 e）。這些物體落入水中會(huì)引起液面發(fā)生微小或劇烈的振動(dòng)/波動(dòng)，使LUMS中薄膜承受的水壓相應(yīng)改變，最終被傳感器識(shí)別。此外，我們操縱擺動(dòng)尾巴的機(jī)器人鯊魚在傳感器周圍移動(dòng)，LUMS有效地監(jiān)測到小振幅或大振幅的鯊魚尾巴擺動(dòng)狀態(tài)（圖4 f）。

圖4. 仿魚側(cè)線水下機(jī)械傳感器感知液面上a）刮風(fēng)、b）水滴下落、c）下雨、d）魚鉤入水、e）樹葉等落入水中；f）水下傳感器感知水下魚不同擺動(dòng)幅度

總的來說，這種結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、低成本的水下傳感器能夠較為精準(zhǔn)地檢測大范圍水下深度，靈敏地監(jiān)測液面波動(dòng)，也能夠?qū)崟r(shí)感應(yīng)液面下方的潛在威脅（大魚經(jīng)過傳感器），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。

來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所