【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，武漢光電國家研究中心熊偉教授團隊與光電信息學(xué)院孫琪真教授團隊合作，提出一種用于多功能水下探測與通信的仿生光纖神經(jīng)丘，實現(xiàn)水下聲學(xué)信號、流體運動及機械振動的高精度感知，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)、振動及流體信號的高靈敏探測對海洋資源勘探、生態(tài)監(jiān)測和國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)分布著魚類感覺單元——神經(jīng)丘(Neuromast)。這個僅細胞大小的精巧結(jié)構(gòu)，包含感受纖毛、支撐細胞和神經(jīng)纖維。水下機械信號作用于凝膠頂結(jié)構(gòu)，隨即纖毛偏轉(zhuǎn)引發(fā)電位變化，該電位信號通過神經(jīng)纖維直達“大腦”。這種集成設(shè)計讓魚類擁有了對聲音、振動和水流的高靈敏度、全方位感知能力。
 

　　受魚類側(cè)線系統(tǒng)啟發(fā)，研究團隊設(shè)計了一種仿生光纖神經(jīng)丘(Bioinspired Optical Fiber Neuromast, BOFN)結(jié)構(gòu)，該光學(xué)仿生細胞單元包括光纖、光學(xué)支撐細胞和光學(xué)纖毛。通過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)干涉腔模擬支撐細胞實現(xiàn)機械-光學(xué)信號轉(zhuǎn)換，光纖用于傳遞光學(xué)信號。團隊創(chuàng)新性提出“纖毛懸臂梁撓曲-FP腔長調(diào)制”的雙物理場協(xié)同增敏耦合機制，建立水下機械刺激與光學(xué)響應(yīng)的定量關(guān)系，該設(shè)計在功能和尺度上模擬了魚類神經(jīng)丘的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對水下信號的高靈敏、高集成探測。
 

圖為仿生光纖神經(jīng)丘異質(zhì)集成制備工藝。
 

　　針對水下傳感器環(huán)境適應(yīng)性差的挑戰(zhàn)，團隊開發(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)測試，BOFN展現(xiàn)出優(yōu)異的多維度探測性能。聲學(xué)檢測方面：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；流體動力學(xué)檢測方面：對微流速的靈敏度為8560.72 nm/(m/s)，分辨率2.34 μm/s，可檢測微弱振動(如落葉、水滴、錘擊)和摩斯密碼信號，實現(xiàn)水下通信(如傳輸“HUST”或“SOS”)。作為概念驗證，團隊將BOFN集成至機器魚，構(gòu)建了全光纖仿生魚側(cè)線系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時監(jiān)測高頻聲學(xué)信號和低頻水流擾動，其聲學(xué)探測性能優(yōu)于專業(yè)水聽器。通過對目標(biāo)(如水母、海星模型)進行逐點掃描，成功重建出清晰的目標(biāo)圖像。此外，BOFN還能靈敏地監(jiān)測機器魚自身游動時不同速度(快/慢擺動)的運動狀態(tài)。
 

　　據(jù)悉，熊偉和孫琪真團隊提出的“纖毛撓曲-FP腔長調(diào)制”雙物理場耦合機制攻克光纖端面異質(zhì)集成工藝瓶頸，實現(xiàn)水聲信號和水流信號的多功能感知，展示了其在海洋資源探索、生態(tài)保護等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，未來將推動深海觀測網(wǎng)建設(shè)、無人潛航器集群協(xié)作等國家重大需求應(yīng)用。
 

　　這項工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金的資助。