自然界中，許多動物擁有感知周邊環境并做出反應的能力，這對動物的生存起著至關重要的作用。例如，兩棲動物海豹利用胡須對水下情況進行感知，以便鎖定魚群的位置，以及躲避鯊魚和虎鯨的追捕。

據麥姆斯咨詢報道，受水生動物的觸須啟發，揚州大學機械工程學院邊義祥教授團隊設計和制備了一種表面四電極聚偏氟乙烯（PVDF）壓電纖維柔性傳感器，該傳感器對不同激勵的感知性能很好，速度檢測極限可達0.15 mm/s，且有良好的方向性檢測能力，在水下情況感知方面應用前景廣闊。相關研究成果已發表于《壓電與聲光》期刊。

水生動物胡須由柔軟的毛組織構成，當受到刺激時毛組織會發生變形。海豹觸須的剖面圖結構如圖1所示。其纖毛發生變形后刺激底部的神經細胞產生神經沖動，然后傳遞給大腦，海豹由此判斷水中物體的運動和方向。研究人員仿造海豹觸須結構，設計制備了一種基于PVDF壓電纖維的仿生柔性傳感器。將PVDF顆粒在200℃條件下加熱至熔融狀態，讓其覆蓋在金屬纖維表面，形成一層PVDF包覆層，在空氣中完全冷卻后可得到一段含金屬芯的PVDF壓電纖維。之后對壓電纖維進行極化使其具備壓電性，制備出表面涂導電銀漆部分帶電、未涂導電銀漆部分不帶電的四電極PVDF壓電纖維。

將上述處理好的PVDF壓電纖維抽去金屬芯，裁剪至合適大小，抽去金屬芯部分用類似動物觸須的光纖代替，使傳感器具備更好的柔性。此外，研究人員對傳感器進行了防水處理，并增加了旋轉基座以調整傳感器角度，進而制備出了可在水下進行實驗測試的四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器。

圖1 海豹觸須的剖面圖結構

圖2 四電極PVDF壓電纖維

圖3 抽去金屬芯的PVDF壓電纖維

圖4 四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器

研究人員驗證了該傳感器對水下情況的感知性能（包括對不同激勵信號感知、水動力感知及方向性感知）。利用激振器輸出正弦、三角、沖擊和方波信號在水下固定位置進行激勵，以測試所制備的傳感器對水下不同信號的感知性能。經測試，該傳感器能夠對水下不同激勵實現準確感知。

在水動力感知測試中，通過改變激振源到傳感器的距離調整流速，以計算傳感器檢測到的流速大小，結果表明該傳感器的靈敏度為0.06 pC/(mm/s)，量程為0.15 ~ 98.7 mm/s，可檢測的速度檢測極限是0.15 mm/s，與其他檢測流速的傳感器相比，靈敏度較高，檢測極限較小。在方向感知測試中，當在一固定點處激勵，改變傳感器角度后，傳感器的兩組電極輸出的電荷和角度呈現“８”字型，說明所制備的傳感器具有良好的方向感知能力。

圖5 實驗裝置示意圖

圖6 兩組電極方向性檢測結果

這項研究提出的表面四電極PVDF壓電纖維仿生柔性傳感器能夠對水下不同的激勵實現準確感知，靈敏度較高，檢測極限較小，且有良好的方向性檢測能力，未來有望在水下感知等領域獲得廣泛應用。

審核編輯：劉清