水中传感器灵敏感知水下环境，这种传感器“长”了鱼侧线

发布时间：2024-11-24 13:11:39

灵敏感知水下环境，这种传感器“长”了鱼侧线

从外观上看，这一水下传感器由两个圆柱形盖状PET拼接组装，总高度和直径均约为几厘米，体积较小。单个仿鱼侧线水下传感器总重量仅7克左右。在测试中，这一传感器中自支撑薄膜在不同的水下深度发生不同程度的形变，并实时输出相应的电流信号变化，从而实现实时的水深探测。

岸上的行人稍一靠近，原本在近岸悠哉游弋的鱼群会立刻退避、保持安全距离……这一感知能力，来自鱼类与水生两栖类动物进化出的侧线传感器，动物们通过这种传感器判断周围水流、礁石等环境变化，从而躲避侵害。

近日，记者从中国科学院宁波材料技术与工程研究所获悉，该所陈涛研究员、肖鹏副研究员开发了基于石墨烯/Ecoflex薄膜的仿鱼侧线水下机械传感器，能够感知水下生物游过时产生的波动，并通过调控自支撑复合薄膜的尺寸实现0.3—1.8米的水下深度探测。相关论文近期发表在学术期刊《纳微快报》。

装配柔性传感材料调整探测极限值

鱼类侧线感知系统由鱼鳞片上的孔洞、侧线管和神经组成，鱼体两侧一般各有一条，侧线管内充满黏液，其感觉器神经丘即浸润在黏液中。当鱼身受到水流冲击，水流产生的压力会通过侧线管上的小孔进入管内，引起黏液流动，使鱼感受到外界刺激。

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。

如果能像鱼一样精准捕获水下深度与振动，便可为水下预警、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。

“团队先构筑了石墨烯/Ecoflex复合薄膜，其中Ecoflex是一种生物相容性极好的弹性体。”肖鹏介绍，由此开发的仿鱼侧线水下传感器主要由石墨烯/Ecoflex复合薄膜、PET塑料模具、电极及导线四部分构成。

从外观上看，这一水下传感器由两个圆柱形盖状PET拼接组装，总高度和直径均约为几厘米，体积较小。单个仿鱼侧线水下传感器总重量仅7克左右。

肖鹏介绍，在测试中，这一传感器中自支撑薄膜在不同的水下深度会发生不同程度的形变，并实时输出相应的电流信号变化，从而实现实时的水深探测。

研究团队设计了不同自支撑薄膜直径的水下传感器，它们在水下深度测试时输出的电流信号均呈现阶梯状变化，整体上，最大水下检测深度与自支撑薄膜直径成正相关。

“由此推测，当传感器中自支撑薄膜的直径进一步增加时，相应的最大水下检测深度随之增大。”肖鹏表示，目前直径25毫米的薄膜可检测到水下1.8米的深度，但这不是它的检测极限。理论上，通过增大薄膜的直径可有效拓展它的检测深度。

感知液面微小振动可用于生物追踪

据了解，用于检测水下深度的水下传感器通常以超疏水导电泡沫为主，其对深度的检测范围很窄，一般只有几十厘米，且在长期应用中面临着超疏水失效等问题。

相较于其他水下传感器，研究团队开发的基于柔性导电薄膜的仿鱼侧线水下传感器不需要进行特殊的超疏水处理，并且结构简单，检测深度深，对振动信号响应灵敏、水下检测深度范围可调。

“在实验中，这一传感器在感知液面微小机械振动方面，例如刮风、下雨、树枝落入水中引起液面波动，均表现出高灵敏性。”肖鹏介绍，实际应用中，可以分析传感器输出电信号的频率、波形、强度等信息进一步分析可能存在的刺激源，从而起到水下预警的目的。

肖鹏说，此外，相较于目前其他类型传感器，这一传感器外观上的优势就是厚度超薄，并且器件体积小，整体上呈透明，薄膜部分呈银色，这跟一些鱼类的颜色十分相近，不容易被生物察觉，可以较好地进行伪装。

记者了解到，目前传感器的单个制备材料成本不超过5元，未来可将其集成并应用到水下仿生机器人上进行实时感知，从而进行生物追踪。

“下一步，我们打算进一步优化提升这一传感器的性能，同时拓展它的多功能应用。”肖鹏表示，团队也会考虑同相关传感器的厂商合作进行进一步研发，推动其产业化。（洪恒飞江耘）

来源：科技日报

溶解氧传感器是一种用于测量氧气在水中的溶解量的传感设备。待测溶液中的氧气分子透过传感器的选择性膜，在传感器内部的阴极和阳极上发生相应的还原或氧化反应，同时产生电流信号，电流大小与溶解氧浓度成正比，通过电流大小就可以判断出溶解氧的浓度。

溶解氧通常表示为浓度的百万分之一或毫克/升。它也可以表示为百分比饱和度，其中饱和度是理论上可以在给定高度和温度下溶解在水中的最大氧气量。

pH水质传感器，用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器。待测溶液中的H+通过与传感器的电极发生作用而产生电压信号，且电压的大小与H+的浓度成一定的比例关系，通过测量电压信号的大小即可得到溶液相应的pH值。

《地表水环境质量标准》中对溶解氧和pH值含量标准限值做了明确规定：

ORP显示单个分子能够如何有效氧化另一个分子，通常用于确定化学消毒机的有效性，其主要成分是氯。ORP传感器可以指示有效杀灭细菌并预防微生物生长的加氯浓度，是水溶液氧化还原能力的测量指标，其单位是mv。

ORP是温度、压力和溶液的函数，所以容易受到这些不同变量的影响，在一定温度,压力下,溶液的组成对ORP影响很大,其中pH值影响较为明显。

氨氮是指水中以游离氨（NH3）和铵离子（NH4+）形式存在的氮。水中的氨氮可以在一定条件下转化成亚硝酸盐，如果长期饮用，水中的亚硝酸盐将和蛋白质结合形成亚硝胺，这是一种强致癌物质，对人体健康极为不利。而在水产养殖中，鱼类对水中氨氮比较敏感，当氨氮含量高时会导致鱼类死亡。

氨氮传感器测定水中的铵根离子浓度，传感器使用三个电极：铵离子电极、钾离子电极和pH电极。典型的应用场景包括监测环境水、湖泊、溪流和水井以及在曝气池和废水中的废水处理。

余氯是指水经过加氯消毒,接触一定时间后，除去一些与微生物及细菌发生反应后，水中所剩余的氯成为总余氯，亦称总氯，包含综合性余氯和游离性余氯，我们通常所说的自来水中的余氯值指的是游离性余氯。

余氯作为一种有效的杀菌消毒手段，仍被世界上超过80%的水厂使用着，但超过一定量的氯，会对人体产生许多危害。余氯传感器使用电化学极谱法原理，进行直接测量，可以实时显示测量结果。