【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，武漢光電國(guó)家研究中心熊偉教授團(tuán)隊(duì)與光電信息學(xué)院孫琪真教授團(tuán)隊(duì)合作，提出一種用于多功能水下探測(cè)與通信的仿生光纖神經(jīng)丘，實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)信號(hào)、流體運(yùn)動(dòng)及機(jī)械振動(dòng)的高精度感知，并成功集成目標(biāo)成像與水下通信功能，為水下全光學(xué)仿生感知開辟了新途徑。研究成果以“From fish to fiber: 3D-nanoprinted optical neuromast for multi-integrated underwater detection”為題發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

圖為仿生光纖神經(jīng)丘結(jié)構(gòu)及傳感原理示意圖。
 

　　水下聲學(xué)、振動(dòng)及流體信號(hào)的高靈敏探測(cè)對(duì)海洋資源勘探、生態(tài)監(jiān)測(cè)和國(guó)防安全具有重要意義。水中的魚類能在復(fù)雜水環(huán)境中游刃有余，其秘密武器是遍布體側(cè)的“側(cè)線系統(tǒng)”。側(cè)線管道內(nèi)分布著魚類感覺(jué)單元——神經(jīng)丘(Neuromast)。這個(gè)僅細(xì)胞大小的精巧結(jié)構(gòu)，包含感受纖毛、支撐細(xì)胞和神經(jīng)纖維。水下機(jī)械信號(hào)作用于凝膠頂結(jié)構(gòu)，隨即纖毛偏轉(zhuǎn)引發(fā)電位變化，該電位信號(hào)通過(guò)神經(jīng)纖維直達(dá)“大腦”。這種集成設(shè)計(jì)讓魚類擁有了對(duì)聲音、振動(dòng)和水流的高靈敏度、全方位感知能力。
 

　　受魚類側(cè)線系統(tǒng)啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種仿生光纖神經(jīng)丘(Bioinspired Optical Fiber Neuromast, BOFN)結(jié)構(gòu)，該光學(xué)仿生細(xì)胞單元包括光纖、光學(xué)支撐細(xì)胞和光學(xué)纖毛。通過(guò)3D打印光學(xué)纖毛模擬生物纖毛力學(xué)的感知功能，光纖端面法布里-珀羅(FP)干涉腔模擬支撐細(xì)胞實(shí)現(xiàn)機(jī)械-光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換，光纖用于傳遞光學(xué)信號(hào)。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出“纖毛懸臂梁撓曲-FP腔長(zhǎng)調(diào)制”的雙物理場(chǎng)協(xié)同增敏耦合機(jī)制，建立水下機(jī)械刺激與光學(xué)響應(yīng)的定量關(guān)系，該設(shè)計(jì)在功能和尺度上模擬了魚類神經(jīng)丘的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下信號(hào)的高靈敏、高集成探測(cè)。
 

圖為仿生光纖神經(jīng)丘異質(zhì)集成制備工藝。
 

　　針對(duì)水下傳感器環(huán)境適應(yīng)性差的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于飛秒激光直寫與物理氣相沉積的異質(zhì)集成工藝。在光纖端面上通過(guò)雙光子聚合技術(shù)精密加工PDMS柔性腔體，結(jié)合ITO薄膜，增強(qiáng)光學(xué)反射率和吸附性，關(guān)鍵技術(shù)突破在于利用IP-S光刻膠的表面張力效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微腔氣密封裝，將水下光譜漂移抑制至0.06 nm，較未密封結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升10倍。該工藝攻克了傳統(tǒng)水下微納器件易滲流、易腐蝕的技術(shù)瓶頸，為水下復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
 

　　經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，BOFN展現(xiàn)出優(yōu)異的多維度探測(cè)性能。聲學(xué)檢測(cè)方面：IP-PDMS材質(zhì)的BOFN聲學(xué)靈敏度為172.24 V/kPa，能夠?qū)崿F(xiàn)0-180°全向響應(yīng)，突破傳統(tǒng)傳感器方向限制；流體動(dòng)力學(xué)檢測(cè)方面：對(duì)微流速的靈敏度為8560.72 nm/(m/s)，分辨率2.34 μm/s，可檢測(cè)微弱振動(dòng)(如落葉、水滴、錘擊)和摩斯密碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水下通信(如傳輸“HUST”或“SOS”)。作為概念驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)將BOFN集成至機(jī)器魚，構(gòu)建了全光纖仿生魚側(cè)線系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)高頻聲學(xué)信號(hào)和低頻水流擾動(dòng)，其聲學(xué)探測(cè)性能優(yōu)于專業(yè)水聽器。通過(guò)對(duì)目標(biāo)(如水母、海星模型)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，成功重建出清晰的目標(biāo)圖像。此外，BOFN還能靈敏地監(jiān)測(cè)機(jī)器魚自身游動(dòng)時(shí)不同速度(快/慢擺動(dòng))的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
 

　　據(jù)悉，熊偉和孫琪真團(tuán)隊(duì)提出的“纖毛撓曲-FP腔長(zhǎng)調(diào)制”雙物理場(chǎng)耦合機(jī)制攻克光纖端面異質(zhì)集成工藝瓶頸，實(shí)現(xiàn)水聲信號(hào)和水流信號(hào)的多功能感知，展示了其在海洋資源探索、生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，未來(lái)將推動(dòng)深海觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)、無(wú)人潛航器集群協(xié)作等國(guó)家重大需求應(yīng)用。
 

　　這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。