基于微型无线声学传感器阵列的仿生鱼侧线水流感知系统

The performance of the underwater autonomous vehicles and robot fishes during the practical applications is challenged by the complicated environments. Artificial lateral line, which mimics the fish lateral line, could offer those vehicles better flowing sensing and orientation and improve their working performance in practices. However, the structures of the current artificial lateral line systems are very complex and hard to be fabricated. Therefore, in this project, a simple designed wireless acoustic sensor is employed. Furthermore, since the wireless acoustic sensor can detect the electrical field change on its surface, metallic single carbon nanotubes, which can convert the fluid momenta into currents, is used to enhance the sensitivity of the sensor. A high sensitive, simple fabricated and low cost artificial lateral line flow sensing system will be established. With this system, the underwater vehicles could get better practical performances.

对鱼侧线生理功能和结构的仿生研究是解决水下自主平衡系统以及机器鱼的实际应用的一个关键。现有的水下自主平衡系统以及机器鱼存在对复杂水环境适应性差的缺陷。鉴于目前仿生鱼侧线系统对微加工技术依赖性大的特点，本项目提出采用无线声学传感器作为传感平台，从加工工艺和结构上大大降低复杂度。另外，利用新型无线声学传感器对表面导电性敏感的特性，结合具有特殊压电效应的金属型单壁纳米碳管放大传感器的响应，提高系统对水流检测的灵敏度。本项目将实现高灵敏度、结构易加工、稳定性好基于微型无线声学传感器阵列的仿生鱼侧线水流感知系统，为水下自平衡系统提供智能的流速测量和障碍物定位方法。

本项目实现了脉冲激励模式下，多谐振点上工作的无线声波传感技术，并完成了一套无线声波传感器阵列系统（包括硬件传感系统和软件控制系统）。通过脉冲激励模式，实现了对声波传感器界面阻尼参数的动态观测。基于多谐振点激励的工作方式，拓展了传感系统在频域上的信息提取。无线声波传感器阵列，相比于传统的声波传感器阵列，具有同时在时域和频域进行多维信息提取，高频点激励提高响应灵敏度、工作环境适应性好等特点。项目中对研制的无线声波传感器在气相和液相环境中的工作性能分别进行了测试。气相中，针对塑化剂邻苯二甲酸二丁酯和甲基膦酸二甲酯挥发气体进行了定量测量，灵敏度最高分别达到了7.2Hz/ppb和2.1 Hz/ppm。并且，通过对6MHz和18MHz工作频率下传感器灵敏度的比较，证实了高频谐波上无线激励的实现有助于传感器灵敏度的提高。液相中，通过观测无线声波传感器界面阻尼参数的变化，来对应葡萄糖浓度的变化，测量灵敏度为1mV/mmol，线性范围为0-20mmol。此外，基于四通道的无线声波传感器阵列系统，对甲苯、乙醛、乙醇、丙酮以及庚醛5中气体进行聚类和模式识别，验证了项目中的声波传感器阵列在仿生电子鼻领域的应用可行性。无线声波传感器阵列系统将在基于呼吸气检测的疾病早期筛查、环境中痕量危害气体检测、植入式生理（包括流体及生化参数）检测等领域有可见的应用前景。