許多海洋動(dòng)物執(zhí)行令人著迷的生存流體動(dòng)力學(xué)，并通過(guò)最佳進(jìn)化的感官系統(tǒng)感知周?chē)h(huán)境。例如，海豹胡須有起伏，使它們能夠抵抗嘈雜的自感應(yīng)渦激振動(dòng) (VIV)，同時(shí)將它們的振動(dòng)頻率鎖定在游魚(yú)產(chǎn)生的尾流中。在這項(xiàng)研究中，開(kāi)發(fā)了具有高應(yīng)變系數(shù)石墨烯納米片壓敏電阻器的全 3D 打印微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 傳感器，以解釋晶須啟發(fā)結(jié)構(gòu)對(duì)上游尾流的精致敏感性。這些傳感器還被用于測(cè)量?jī)深?lèi)海豹胡須，包括斑海豹（Phoca vitulina）和灰海豹（Halichoerus grypus）胡須的固有頻率。這可以解釋在主動(dòng)狩獵過(guò)程中胡須可能的自然方向。在循環(huán)水槽中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明，胡須啟發(fā)傳感器通過(guò)鎖定尾流發(fā)生器的頻率，成功地感應(yīng)到位于胡須直徑 10 倍的上游尾流，從而模仿海豹胡須的傳感機(jī)制。VIV 降低和鎖頻與上游尾流發(fā)生器的結(jié)合展示了胡須傳感器的高信噪比，表明其在長(zhǎng)距離尾流傳感方面的效率以及作為視覺(jué)和聲學(xué)傳感器替代品的潛力。
Fig1. 海豹和起伏的海豹須。A) 斑海豹 ( Phoca vitulina )、B) 灰海豹 ( Halichoerus grypus ) 和 C) 它們的胡須特寫(xiě)圖像顯示了獨(dú)特的起伏形態(tài)。D) 顯示海豹須追蹤魚(yú)的能力和海豹須啟發(fā)的水下航行器流量傳感器尾流檢測(cè)功能的示意圖。E) 五只灰海豹 ( Halichoerus grypus , HG) 胡須 1–5 和五只斑海豹 ( Phoca vitulina, PV) 胡須 1-5 使用藍(lán)光掃描技術(shù)掃描。每個(gè)掃描的海豹胡須都以全長(zhǎng)顯示，并捕獲了胡須基部。海豹的所有胡須都以相同的比例顯示。F) 由 Hank 等人提出的幾何模型構(gòu)建的胡須結(jié)構(gòu)。
Fig 2. 懸臂式石墨烯傳感器。 A,B) 用于測(cè)量固有頻率的懸臂結(jié)構(gòu)傳感器尺寸（縱橫比≈50，厚度≈0.3 mm）。 C) 墨滴鑄造中的導(dǎo)電石墨烯納米片 (GNP) 和帶有胡須的懸臂梁傳感器原型。D) GNP 染色規(guī)的尺寸和微通道中石墨烯納米片的掃描電子 (SE) 顯微照片（深度≈100 µm）。 E) 顯示基于懸臂傳感器的自然頻率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。用于胡須的 WIV 和 VIV 測(cè)量的石墨烯懸臂傳感器的 F1) 原型和 F2) CAD 模型。使用熱熔膠將 3D 打印傳感器連接到 3D 打印傳感器底座。接下來(lái)，將 3D 打印的胡須結(jié)構(gòu)插入 3D 打印的胡須支架中，該胡須支架連接到 3D 打印傳感器的末端。 F3) 懸臂傳感器的尺寸。
Fig 3. LDV 系統(tǒng)和循環(huán)水槽。 A) 顯示基于 LDV 的海豹須測(cè)量的示意圖。 B) LDV 系統(tǒng)的工作原理。 C) 用于對(duì)海豹須進(jìn)行 VIV 和 WIV 測(cè)量的循環(huán)水水槽。 D) VIV 測(cè)量中海豹須的攻角。 E) WIV 測(cè)量中的上游圓柱體和下游胡須。
Fig 4. 基于 COMSOL Multiphysics 的印刷懸臂梁傳感器和胡須的自然頻率模擬。 A) 帶有和不帶軟底的隔離灰色胡須 IV 的生成網(wǎng)格和第一模態(tài)形狀（變形因子：50 000）。 B) 帶有胡須的懸臂傳感器生成的網(wǎng)格。 C) 印刷傳感器（固有頻率≈132 Hz）的第一振型（變形因子：50 000）。帶有 D) 斑海豹須 I（PV1，自然頻率 ≈ 34 Hz）和 E）灰海豹須 V（HG5，自然頻率 ≈ 34 Hz）的懸臂傳感器的第一模態(tài)形狀（變形因子：50 000）。 F) Gray seal whisker V (HG5) 的各種振型（變形因子：200 000）。 G) 模擬的計(jì)算域，其中具有軟基的胡須位于圓柱形水域和灰色胡須 IV 的第一模態(tài)形狀（變形因子：10）。
Fig 5. 測(cè)量和模擬的固有頻率。 A) 懸臂傳感器和 B) 拔除海豹須時(shí)的 LDV 數(shù)據(jù)的時(shí)間序列。C) 懸臂傳感器和 D) LDV 數(shù)據(jù)的時(shí)間序列的 FFT 分析。 E) 懸臂傳感器和 F) 基于 LDV 的測(cè)量中模擬和測(cè)量的自然頻率之間的比較。 G) 斑海豹 (PV) 和 H) 灰海豹 (HG) 胡須在水下（虛線）和空氣中（實(shí)線）的各種自然頻率模式。 I) 斑海豹(PV) 和 J) 灰海豹 (HG) 胡須的水下自然頻率與空氣中自然頻率相比的百分比下降。
Fig 6. 模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)海豹須位于 AOA 為 A1) 0、A2) 30°、A3) 60° 和 A4) 90° 時(shí)，海豹須的脫落渦流中的渦度分布（由其橢圓形橫截面顯示）。迎面而來(lái)的水流是從左到右。B) 懸臂傳感器測(cè)量的 VIV 與胡須的各種 AOA。 C) 具有不同流速的圓柱體的 VIV。 D1) 懸臂傳感器測(cè)量的胡須的 WIVs 和 D2) 上游圓柱體和下游胡須結(jié)構(gòu)之間具有不同分離度的主頻率（固有頻率≈53.8 Hz）。 E) E1) 胡須和 E2) 圓柱體的振動(dòng)振動(dòng)基于 COMSOL Multiphysics 的仿真。 F) 基于 COMSOL Multiphysics 的 F1) 胡須和 F2) 圓柱體的 WIV 模擬。
相關(guān)研究工作由荷蘭格羅寧根大學(xué)Ajay Giri Prakash Kottapalli課題組于2022年在線發(fā)表于《Advanced Functional Materials》期刊上，原文：3D Printed Graphene Piezoresistive Microelectromechanical System Sensors to Explain the Ultrasensitive Wake Tracking of Wavy Seal Whiskers。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
