同濟大學設計仿生發光皮膚，用于水流及水下震動雙模感知

MEMS 2026-06-02 07:11

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深海作為地球上最后的未開發疆域之一，其絕大部分區域仍處于未知狀態。因此，水下傳感技術在海洋勘探中具有關鍵作用，其中水流傳感有助于水資源管理與目標探測，振動傳感則可用于水下災害預警及軍事防御等應用。然而，海洋與陸地環境之間的巨大差異對傳統傳感器的部署提出了嚴峻挑戰。

仿生發光皮膚（L-skin）以柔性材料構建，能夠模擬生物皮膚的結構與功能，通過光學原理感知振動、壓力、溫度、濕度、環境條件、物體形狀與尺寸等多種參數。在水下環境中，L-skin基于光信號傳輸，具備更低的傳播損耗，相較于電子皮膚（E-skin），展現出更高的穩定性和更優的靈敏度。

氫鍵有機框架（HOF）基彈性體薄膜具有優異的彈性、柔韌性、發光性能、刺激響應性以及多功能集成能力，是構建仿生L-skin的理想材料。作為發光源，HOF通過含大π共軛結構的剛性有機單元之間的氫鍵自組裝形成，表現出良好的發光穩定性、柔韌性與溶液可加工性。其結構中豐富的活性位點（如未配對或殘余氫鍵供/受體）有助于HOF通過氫鍵與外部基質交聯。

將HOF材料與軟質彈性體復合，可制備HOF@L-skin，該材料兼具HOF的優異發光特性與彈性體的高柔韌性和耐水性，產生協同增強效果?；诎l光信號讀出的HOF@L-skin還具有抗電磁干擾、高信噪比、快速響應、結構緊湊及成本效益高等優勢，顯示出其作為水下流動與振動監測高靈敏度雙模式系統的巨大應用潛力。

海豹、鯊魚和鱷魚等海洋動物經過數百萬年進化，在皮膚上形成了高度優化的皮膚感覺系統，使其擁有卓越的水動力生存能力。它們皮膚感覺器官能精確探測微小的水流擾動（量級為μm/s）和低頻振動（低至0.5 Hz）。這種敏銳的感知能力使它們即使在能見度有限的情況下，也能執行捕食、躲避天敵和同步學習等關鍵行為。

海洋皮膚系統在探測水動力變化和微弱水下振動方面卓越的流動感知能力，啟發研究人員開發一種新型HOF@L-skin，用于超靈敏監測水流動態和振動模式。同濟大學閆冰教授團隊近期借鑒海豹皮膚的觸覺雷達式感知機制，將其巧妙集成于HOF基柔性器件中，研制出一種水流及水下震動雙模傳感器，并進一步應用于水下信息傳輸、物體識別、運動感知和實時雙模式監測等場景。相關成果以“Biomimetic Luminescent Skin for Mechano-Activated Water Flow and Underwater Vibration Bimodal Perception as Aquatic Intelligence Platform”為題在線發表于材料化學頂級期刊Materials Today（IF=22.0）。

圖1 受海豹皮膚“感知雷達”機制啟發的，HOF-16@L-skin制備示意圖及基于彎曲與振動機制傳感水流與水下震動，并通過人機交互實現實時雙模監測的示意圖

研究人員受海豹利用皮膚上的觸覺雷達式感知系統探測水流與微擾動的啟發，通過氫鍵介導的超分子交聯策略，開發了一種HOF彈性體基發光皮膚（HOF-16@L-skin）。該L-skin展現出卓越的柔韌性、彈性和水下發光穩定性，適用于水生環境中的機械驅動雙模式傳感。在感知水流和水下振動時，L-skin表現出多角度識別能力（0° – 180°）、超快響應速度（220 ms 和 200 ms）、超低檢測限（0.00043 m/s和0.0477 Hz）、超高靈敏度（87.17 m?1·s 和 0.1095 Hz?1）、超高精密度（RSD ≤ 0.382%和0.341%）以及優異的可重復性（2000和1500次循環）。通過有限元模擬，構建了三維彎曲和振動模型，實現了系統性機理分析。此外，該L-skin可應用于水下信息傳輸、物體識別、運動感知和實時雙模式監測。本研究為在水下環境中部署全發光仿生傳感單元開辟了新途徑，在水下感知、資源勘探、海洋生態保護和海底預警系統等領域展現出廣闊的應用前景。