许多海洋动物执行令人着迷的生存流体动力学，并通过最佳进化的感官系统感知周围环境。例如，海豹胡须有起伏，使它们能够抵抗嘈杂的自感应涡激振动 (VIV)，同时将它们的振动频率锁定在游鱼产生的尾流中。在这项研究中，开发了具有高应变系数石墨烯纳米片压敏电阻器的全 3D 打印微机电系统 (MEMS) 传感器，以解释晶须启发结构对上游尾流的精致敏感性。这些传感器还被用于测量两类海豹胡须，包括斑海豹（Phoca vitulina）和灰海豹（Halichoerus grypus）胡须的固有频率。这可以解释在主动狩猎过程中胡须可能的自然方向。在循环水槽中进行的实验研究表明，胡须启发传感器通过锁定尾流发生器的频率，成功地感应到位于胡须直径 10 倍的上游尾流，从而模仿海豹胡须的传感机制。VIV 降低和锁频与上游尾流发生器的结合展示了胡须传感器的高信噪比，表明其在长距离尾流传感方面的效率以及作为视觉和声学传感器替代品的潜力。
 
Fig1. 海豹和起伏的海豹须。A) 斑海豹 ( Phoca vitulina )、B) 灰海豹 ( Halichoerus grypus ) 和 C) 它们的胡须特写图像显示了独特的起伏形态。D) 显示海豹须追踪鱼的能力和海豹须启发的水下航行器流量传感器尾流检测功能的示意图。E) 五只灰海豹 ( Halichoerus grypus , HG) 胡须 1–5 和五只斑海豹 ( Phoca vitulina, PV) 胡须 1-5 使用蓝光扫描技术扫描。每个扫描的海豹胡须都以全长显示，并捕获了胡须基部。海豹的所有胡须都以相同的比例显示。F) 由 Hank 等人提出的几何模型构建的胡须结构。
 
Fig 2. 悬臂式石墨烯传感器。 A,B) 用于测量固有频率的悬臂结构传感器尺寸（纵横比≈50，厚度≈0.3 mm）。 C) 墨滴铸造中的导电石墨烯纳米片 (GNP) 和带有胡须的悬臂梁传感器原型。D) GNP 染色规的尺寸和微通道中石墨烯纳米片的扫描电子 (SE) 显微照片（深度≈100 µm）。 E) 显示基于悬臂传感器的自然频率测量的实验装置的示意图。用于胡须的 WIV 和 VIV 测量的石墨烯悬臂传感器的 F1) 原型和 F2) CAD 模型。使用热熔胶将 3D 打印传感器连接到 3D 打印传感器底座。接下来，将 3D 打印的胡须结构插入 3D 打印的胡须支架中，该胡须支架连接到 3D 打印传感器的末端。 F3) 悬臂传感器的尺寸。
 
Fig 3. LDV 系统和循环水槽。 A) 显示基于 LDV 的海豹须测量的示意图。 B) LDV 系统的工作原理。 C) 用于对海豹须进行 VIV 和 WIV 测量的循环水水槽。 D) VIV 测量中海豹须的攻角。 E) WIV 测量中的上游圆柱体和下游胡须。
 
Fig 4. 基于 COMSOL Multiphysics 的印刷悬臂梁传感器和胡须的自然频率模拟。 A) 带有和不带软底的隔离灰色胡须 IV 的生成网格和第一模态形状（变形因子：50 000）。 B) 带有胡须的悬臂传感器生成的网格。 C) 印刷传感器（固有频率≈132 Hz）的第一振型（变形因子：50 000）。带有 D) 斑海豹须 I（PV1，自然频率 ≈ 34 Hz）和 E）灰海豹须 V（HG5，自然频率 ≈ 34 Hz）的悬臂传感器的第一模态形状（变形因子：50 000）。 F) Gray seal whisker V (HG5) 的各种振型（变形因子：200 000）。 G) 模拟的计算域，其中具有软基的胡须位于圆柱形水域和灰色胡须 IV 的第一模态形状（变形因子：10）。
 
Fig 5. 测量和模拟的固有频率。 A) 悬臂传感器和 B) 拔除海豹须时的 LDV 数据的时间序列。C) 悬臂传感器和 D) LDV 数据的时间序列的 FFT 分析。 E) 悬臂传感器和 F) 基于 LDV 的测量中模拟和测量的自然频率之间的比较。 G) 斑海豹 (PV) 和 H) 灰海豹 (HG) 胡须在水下（虚线）和空气中（实线）的各种自然频率模式。 I) 斑海豹(PV) 和 J) 灰海豹 (HG) 胡须的水下自然频率与空气中自然频率相比的百分比下降。
 
Fig 6. 模拟和实验结果。当海豹须位于 AOA 为 A1) 0、A2) 30°、A3) 60° 和 A4) 90° 时，海豹须的脱落涡流中的涡度分布（由其椭圆形横截面显示）。迎面而来的水流是从左到右。B) 悬臂传感器测量的 VIV 与胡须的各种 AOA。 C) 具有不同流速的圆柱体的 VIV。 D1) 悬臂传感器测量的胡须的 WIVs 和 D2) 上游圆柱体和下游胡须结构之间具有不同分离度的主频率（固有频率≈53.8 Hz）。 E) E1) 胡须和 E2) 圆柱体的振动振动基于 COMSOL Multiphysics 的仿真。 F) 基于 COMSOL Multiphysics 的 F1) 胡须和 F2) 圆柱体的 WIV 模拟。
  
         相关研究工作由荷兰格罗宁根大学Ajay Giri Prakash Kottapalli课题组于2022年在线发表于《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。

转自《石墨烯研究》公众号