智能海洋装备柔性传感技术的现状与展望

《Sensors and Actuators A: Physical》：State of the art and prospects of flexible sensing technologies for intelligent marine equipment

　　

• 综述了提升水下柔性传感器性能的多种策略。• 讨论了各种策略的特性、性能及协同效应。• 举例说明了水下柔性传感器的典型应用。• 分析了水下柔性传感器存在的问题和未来发展方向。引言海洋蕴藏着丰富的资源，海洋资源的综合开发利用已成为全球关注的战略重点。然而，海洋环境具有高压、强腐蚀、缺氧和高浊度等极端特性，严重阻碍了海洋资源的开发利用[1,2]。为开发海洋资源，需要先进的智能海洋装备，包括自主/遥控水下运载器（AUV/ROV）和各种潜水器。此类装备的智能水平、环境适应性和运行效率与其感知系统的性能密切相关[[3], [4], [5]]。因此，开发能够耐受极端环境的高性能传感技术已成为推进海洋装备发展的核心瓶颈和迫切需求。与陆地传统传感技术相比，水下传感技术面临着由多物理场耦合导致的复杂工作条件。水压力、温度、流速等因素带来了显著的不确定性，大大增加了研究难度[6,7]。此外，大多数成熟的地面传感原理在水下环境中的性能往往会下降甚至失效。例如，基于空气介质介电常数变化的电容传感器，由于海水的介电常数极高，其灵敏度急剧下降且出现严重的信号基线漂移[8]。依赖特定气体或干燥环境化学反应的传感器可能因海水浸泡和离子渗透而变得不准确[9]。传统压电陶瓷传感器由于固有的脆性和高压下的去极化效应，面临结构脆弱和信号衰减的风险[10]。更为关键的是，水下环境对传感器的界面稳定性、长期可靠性和信噪比提出了比陆地传感器更高的标准。因此，有必要在传感机制、材料体系和器件构型方面进行创新，探索与水下环境根本兼容的新型技术路径。这些努力对于克服传统传感范式在界面耦合和环境干扰抑制方面的局限性至关重要[[11], [12], [13], [14]]。随着柔性电子和智能材料的发展，柔性传感器已成为解决上述挑战的极具前景的方案。得益于其固有的高柔性、高灵敏度、高分辨率和快速响应特性，通过多功能复合材料的协同设计，可以实现自供电、多参数感知和极端环境耐受的单体集成[[15], [16], [17]]。此外，双模和多模柔性传感器近年来因其同时感知压力、应变和温度等多种刺激的能力而受到广泛关注[[18], [19], [20], [21], [22]]。代表性工作包括：一种基于三乙氧基硅烷增强的石墨烯/碳纳米颗粒网络的织物基压力-应变-温度传感器，可实现稳定的多信号输出[20]；一种基于多壁碳纳米管（MWCNTs）/石墨烯/VO?/硅橡胶（SR）复合材料的鱼鳞仿生应变/温度传感器，实现了100%应变范围和高温敏性[21]；以及一种负泊松比结构压力-温度传感器，响应时间仅为25 ms，灵敏度为2.13 kPa?1[22]。多模集成伴随的一个关键挑战是信号耦合，这已通过多种解耦策略加以解决，包括响应时间区分、功能层空间分离和材料级交叉灵敏度最小化。这些在传感机制、结构设计和解耦方法方面的进展为开发能够在复杂多场环境中运行的鲁棒水下柔性传感系统提供了有价值的参考。例如，Zhang团队开发的FlowSight仿生侧线传感器将柔性硅胶触须与深度学习算法相结合，流速的相对测量误差低至3.05%，流向误差仅为0.98%。集成到水下机器人中后，可实现类似鱼类的逆流巡航和动态姿态调整[23]。此外，基于凝胶的柔性传感器通过结构优化策略（包括网络交联和疏水涂层）显著提高了水下耐膨胀性和黏附性，解决了传统器件中遇到的界面脱粘和信号失真问题[24,25]。此外，基于传感器的智能感知系统因其能够在非接触感知和物理交互之间架起桥梁而受到越来越多的探索[[26], [27], [28], [29], [30], [31]]。例如，开发了一种基于羟丙基甲基纤维素/PEDOT:PSS/AgNPs纳米复合材料的接近/压力双模传感器，通过电容机制同时检测物体接近和接触压力，实现了非接触密码学和智能家具的应用[26]。另一项工作报告了一种基于石墨烯/MWCNTs/聚苯胺/SR复合材料的3D多孔压力-温度触觉传感器，通过压阻效应和热电效应的结合实现了压力和温度信号的有效解耦，压力灵敏度为0.3488 kPa?1，响应时间为50 ms[27]。为解决复杂场景中的信号串扰，提出了一种自解耦柔性三模传感器，将压力编码为同步压阻和压容信号，将接近度编码为电容变化，将温度编码为热电电压，实现了0–160 kPa的宽压力范围、0–200 mm（分辨率为0.1 mm）的接近检测范围，以及100 K温差下0.6 mV的热电信号[28]。此外，开发了一种兔腿仿生柔性压力-磁传感器，集成了MWCNTs/Nd?Fe??B/SR纳米复合材料，既表现出高压力灵敏度（0–1 kPa范围内为1.0648 kPa?1），又具备三元磁编码能力（-1, 0, +1），用于非接触信息加密，通过基于卷积神经网络（CNN）的框架实现了95.2%的物体识别准确率[29]。这些研究共同表明，仿生结构、多功能纳米复合材料和机器学习算法的集成可以有效赋予柔性传感器多刺激分辨能力、自解耦信号输出和智能数据处理能力。这些设计理念和系统级集成策略为开发水下柔性传感系统提供了有价值的参考，因为在复杂动态的水下环境中通常需要同时检测压力、温度、接近度和流速。这些突破表明，柔性传感技术正在为构建具有高环境适应性和高空间分辨率的下一代智能水下感知系统建立新的技术范式（图1）。因此，本综述介绍了水下柔性传感器的研究，并深入分析了四种主要传感机制（摩擦电、压电、压阻和电容）的结构-性能关系。鉴于其不同的工作原理、多维性能指标和性能提升方面的挑战，全面探讨了关键的优化策略。这些策略包括材料-结构协同设计、环境适应性和鲁棒性提升以及阵列集成技术，共同建立了面向应用的器件设计指南。在此基础上，进一步展望了水下柔性传感器在智能水下机器人环境感知与自主导航、原位海洋环境监测以及海洋工程设施健康监测中的新兴应用潜力。最后，从材料创新、结构设计和系统架构的角度，提出了一条协同优化路径，以解决环境适应性和信号可靠性问题，为推进下一代智能海洋感知系统提供理论基础和技术参考。章节片段水下柔性传感器结构与传感机制从涉及力-电信号转换原理的器件结构和传感机制角度来看，水下柔性传感器件主要可分为四种类型：摩擦电、压电、压阻和电容传感器。这些传感器件基于不同的物理机制运作，在水下环境中有效实现机械刺激到电信号的转换。本节将介绍固有的水下柔性传感器性能指标水下柔性传感器的关键性能指标直接决定了其在海洋勘探、环境监测、水下机器人自主导航等相关领域的应用效率。对于基于四种传感机制的水下柔性传感器，核心指标包括灵敏度、检测范围、响应时间和恢复时间、环境适应性、长期稳定性和可靠性[55]。水下柔性传感器增强策略在先前建立的性能指标体系、挑战分析和目标识别的指导下，本章系统地深入讨论了性能优化策略。这些旨在提升传感灵敏度和响应速度的策略，从敏感功能材料选择、表面和界面微结构工程以及环境适应性提升等方面进行了考察。水下柔性传感系统的应用水下柔性传感器具有对复杂水下环境的独特适应性和感知能力，以及定制化架构，为广泛的多样化应用提供了塑造不同特性的调色板。本节回顾了水下柔性传感器在三个领域的智能传感应用和挑战：智能水下机器人的环境感知与自主导航、原位海洋环境监测系统以及健康水下柔性传感技术总结水下柔性传感技术凭借其独特的力-电转换机制和极端环境适应潜力，正成为构建下一代水下智能感知系统的关键支柱。本综述系统地阐述了水下柔性传感技术在智能海洋装备中的当前研究状况。通过分析四种核心传感机制的工作原理和特性CRediT作者贡献声明Shanfei Fan：原创草稿撰写、可视化、方法论、调查研究、概念化。Xiaoqiang Guo：审阅与编辑、监督、资源提供、调查研究、概念化。Hongyi Jiang：审阅与编辑、可视化、调查研究。Shan Lv：审阅与编辑、可视化、调查研究。Jun Liu：审阅与编辑、资源提供、调查研究。Liming Dai：资源提供、调查研究。Reza N. Jazar：可视化、调查研究。Edson Denis利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。致谢本工作部分得到河北省青年科学基金项目（B类）（项目编号：E2025202002）、国家自然科学基金（项目编号：52105125、12472009和52675139）、天津市自然科学基金项目（项目编号：25JCZDJC00940）、河北工业大学技术创新研究院（石家庄）石家庄科技合作专项基金（项目编号：SJZZXA25004）、河北省引进海外智力Shanfei Fan于2020年获得集美大学诚毅学院中国厦门机电一体化工程学士学位，并于2025年获得中国石油大学（成都）中国成都仪器仪表工程硕士学位。其研究领域包括水下感知、水下机器人和仿生传感。Shanfei Fan|Xiaoqiang Guo|Hongyi Jiang|Shan Lv|Jun Liu|Liming Dai|Reza N. Jazar|Edson Denis Leonel|Nerguibaatar Tsend|Qiyi Nie|Xianbin Liu|Yuwen Wang|Junliang Dong|Biao Wang|Xinye Li