智能压电仿生水黾科（Gerridae）水面波动传感器：实验与理论建模

《IEEE Sensors Journal》：Smart Piezoelectric Bioinspired Gerridae Water Surface Wave Sensors: Experiments and Theoretical Modeling

水蜻蜓腿部生物传感机制启发，研制了基于柔性聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜的微型仿生水波传感器（BWS），通过压电效应将水波机械变形转换为电荷信号。理论模型结合多层复合力学与波能守恒，验证了BWS对水波振幅（0.03mm阈值）、灵敏度（0.0014pC/mm）及方向响应（余弦函数）的检测能力，响应速度达46-11ms，适用于1-10Hz频段监测。该传感器体积仅0.003cm3，支持自供电，为海洋微振动监测和环境机器人提供可靠解决方案。

　　

摘要：

受水黾科昆虫微波检测能力的启发，本研究开发了一种微型便携式传感器——仿生水波传感器（BWS），该传感器基于柔性聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜，用于检测水面波动。该传感器采用了受水黾科昆虫启发的薄膜结构，通过PVDF的压电效应将波浪引起的机械变形转化为电荷信号。结合多层复合力学和波能守恒的理论模型，将传感器输出与波参数（振幅、距离和角度）相关联，并通过稳态激励波和瞬态脉冲激励波实验进行了验证。主要结果表明，BWS的水面振幅检测阈值可低至0.03毫米，灵敏度达到0.0014皮库仑/毫米，具有线性振幅相关性（R2 > 0.95）、指数衰减的距离响应特性以及余弦方向响应特性。它能够检测1-10赫兹的频率，响应速度为46-11毫秒，尽管检测范围较窄，但在微波分辨率方面表现出色。本研究开发的BWS具有出色的微波检测能力、小巧的体积（0.003立方厘米）以及自供电功能，非常适合用于海洋微振动监测和环境机器人领域，提供了一种可靠且微型化的解决方案。未来通过对材料或结构的优化，有望进一步扩大其检测范围和实际应用范围。

引言

在自然界中，许多昆虫进化出了生存机制，它们利用体表的生物传感器来检测水流、气流等环境变化，以进行捕食或躲避天敌[1]、[2]。例如，水黾科昆虫的腿节上分布着数以万计的感毛，每根感毛长度约为10-20微米。这些感毛对机械变形非常敏感，甚至能被微弱的气流激活，从而能够准确检测到水面上的涟漪，进而定位落入水中的昆虫[3]、[4]。图1(a)和(b)分别展示了水黾科昆虫的腿部照片和扫描电子显微镜（SEM）图像。蜘蛛利用腿关节中的缝隙振动感受器来捕捉猎物在网上的振动信息[5]；蝎子则依靠分布在腿上的缝隙感受器来感知猎物在沙子中的移动轨迹[6]。这些生物传感器的高灵敏度、高精度等特性吸引了科学界的广泛关注和深入研究。图1.

(a) 水面上水黾科昆虫的照片。(b) 水黾科昆虫腿节上感毛的分布图，其中：ds：背毛；un：爪毛；vs：腹毛。