洞穴鱼管道侧线的高灵敏度感知机制及仿生水声传感阵列研究

High-sensitive vector hydrophone is the key device for target recognition and localization in complex marine environments. Bionic hydrophones inspired from the lateral line system become a research hotspot. However, few studies have focused on the relationship between the microstructures of the lateral line and its sensing functions, and few researches have given the analytical model for the sensitivity and noise suppression capability of the lateral line system. As a result, the sensitivity of developed bionic hydrophone devices is still very low. We discovered that the high-sensitive detection of Sinocyclocheilus microphthalmus (Cypriniformes: Cyprinidae) is related to the geometry of the lateral line canals and the distribution of the neuromasts. In this project, we focus on the high-sensitive detection mechanism of the canal lateral line system of blind cave fish, and the noise-enhanced detection mechanism. Based on the observation and analysis on the behavior of the blind cave fish to stimulations and the microstructures of the canal lateral lines, we aim to buid the design methodology for bionic hydrophone arrays with high-sensitive, low-frequency, and noise-enhanced detection capability. In addition, the manufacturing method via integration of flexible piezoelectric nanofibers with microfluidic canals will also be studied. This research would contribute to the improvement of the bionic sensing thoery and device design methodology.

高灵敏度的低频矢量水声传感方法及其器件技术是实现在复杂海洋噪音环境下远距离目标识别和定位的核心途径。模仿鱼类侧线开发新型水声传感器成为国内外研究的热点，但是目前缺乏对鱼类侧线微结构与感知功能关系的研究，缺少对鱼类侧线灵敏度和噪音抑制能力的分析与建模，开发的水声传感器件信号识别能力不足。我们前期研究发现小眼金线鲃（一种鲤鱼科洞穴鱼）对低频信号的高灵敏度感知能力与其侧线管的变截面形状以及侧线神经丘的阵列排布具有重要的关系。本项目聚焦洞穴鱼管道侧线的高灵敏度低频水声信号感知及其在高噪音环境下的信号增强机理这一科学问题，通过对洞穴鱼侧线感知的行为学与微观形态学研究，建立高灵敏度、低频、抗噪音的仿生水声传感阵列的仿生设计理论，融合柔性压电纤维传感结构与微流体腔道集成制造方法，为水声信号的仿生感知及器件技术提供重要的理论依据和设计思路。

高灵敏度的低频矢量水声传感方法及其器件技术是实现在复杂海洋噪音环境下远距离目标识别和定位的核心途径。模仿鱼类侧线开发新型水声传感器成为国内外研究的热点，但是目前缺乏对鱼类侧线微结构与感知功能关系的研究，缺少对鱼类侧线灵敏度和噪音抑制能力的分析与建模，开发的水下传感器件信号识别能力不足。. 本项目聚焦洞穴鱼侧线的高灵敏度低频信号感知及其在高噪音环境下的信号增强机理这一科学问题，主要开展了洞穴鱼管道侧线的高灵敏度低频信号感知机理、洞穴鱼管道侧线微结构的非线性特征与抗噪音能力、通过对洞穴鱼侧线感知的行为学与微观形态学研究、仿洞穴鱼管道侧线水声传感阵列仿生设计与集成制造方法、仿洞穴鱼管道侧线水声传感阵列的实现与测试验证等四个方面的研究内容。. 项目团队通过对金线鲃洞穴鱼管道侧线的微观结构进行了系统分析，利用多物理场耦合算法和经典流体力学理论，建立了洞穴鱼管道侧线变径结构提升灵敏度的理论模型。设计制造了三款仿生水声传感阵列样机及其信号检测电路，实现了其探测极限的逐步提升，最终实现了3.2mPa的压差探测极限，和生物原型的探测极限（2mPa）极度相近。运用偶极子流场理论，我们建立了基于仿生水声传感阵列的目标定位神经网络算法，并实现了仿生水声传感阵列对偶极子的三维空间定位。在项目执行期间，共发表SCI检索文章17篇（其中ACS Appl. Mater. Interfaces 1篇、Adv. Mater. Technol.1篇、仿生领域知名期刊Bioinspir. Biomim. 2篇、J.Binc.Eng. 3篇），特邀报告5次，申请发明专利4项，授权2项。. 项目研究提出了高灵敏度、低频、仿生水下传感阵列的仿生设计理论，融合柔性压电纤维传感结构与微流体腔道集成制造方法，为水下仿生感知及器件技术提供重要的理论依据和设计思路。