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美國海軍目前正在開發一種先進的新型水下感測器系統，旨在複製自然界最獨特的水生哺乳動物之一的能力和探測範圍。
據報道，羅徹斯特理工學院（RIT）的研究人員目前正在海軍研究實驗室的資助下開發這種創新的感測器陣列，旨在複製斑海豹(harbor seals)所擁有的「卓越的設計和檢測範圍」。
斑海豹棲息在北大西洋和北太平洋的海域，以其游泳能力和水中狩獵能力而聞名。 現在，羅切斯特理工學院凱特格里森工程學院副教授鄭旭東表示，這些海洋哺乳動物擁有的獨特能力也為海軍開發新型感測器陣列提供了靈感，該陣列將具有「生物水平的靈敏度， 準確性和智能性。」
美國海軍表示，這種先進的水下感測器系統除了有助於對海洋進行科學探索和提高其在海上隱形行動中使用的機器人能力之外，還可用於跟蹤異常情況。
鄭表示，他和他的團隊正在構建的新系統將是「開發更強大感測器的下一階段」，並補充說，早期結果已經表明，它可以幫助促進新功能，從而有助於實現「更智能的感知和更好的推理」 信號模式及其與流量模式的對應關係。」
此外，鄭和他的團隊表示，他們希望改進海軍水下感測器收集物體三維信息的方式，從而實現更好、更一致的識別。 該團隊還計劃利用人工智慧，進一步增強感測器系統在各種海洋環境中運行時的功能。
上圖：鄭（中）與他的妻子、研究員同事薛倩（右）和研究員劉東方一起出現，他展示了斑海豹的鬍鬚，這激發了團隊的研究（圖片來源：Travis Lacoss/RIT）。
為了實現這一目標，鄭的團隊從自然界現有的最好的水下感測器系統之一中汲取了靈感。
鄭在一份聲明中說：「我們正在嘗試利用海豹鬍鬚陣列的仿生形狀來模仿海豹的高靈敏度感測器。」他補充說，這些海洋哺乳動物能夠以每秒 254 微米的驚人速度檢測附近的干擾。 。 這在一定程度上是由於它們鬍鬚的長度和位置，使得這些生物能夠以驚人的速度和準確性來測量速度、距離、移動和位置等一切。
儘管鄭的團隊並不是第一批從海豹鬍鬚中汲取靈感的研究人員，但按照類似原理工作的現有系統只能提供單獨的測量結果。 通過模仿斑海豹的自然感測器能力，鄭的團隊希望他們將這些檢測機制整合到一個改變遊戲規則的水下感測器陣列中。
目前只能進行單一測量的感測器在空間信息的檢測方面受到很大限制，空間信息涉及從多個角度對物體進行可視化並提供有關物體與周圍環境的關係的信息。
鄭表示，綜合空間識別與人工智慧的集成將是他和他的團隊正在設計的新系統能夠整體提高感測器精度的兩個主要關鍵。
這項新工作是鄭過去工作的成果，其中涉及凱特格里森學院機械工程系的生物力學和流動物理學研究。
在他的妻子和研究夥伴、羅徹斯特理工學院機械工程系副教授、流-結構相互作用專家薛倩的幫助下，兩人表示，他們正在「設計非常靈敏的感測器，可以緊密地裝入較小的空間，並且 可以提取空間信息」，這使得感測器能夠「通過演算法識別周圍環境，從而準確預測物體的形狀。」
鄭在一份聲明中說：「根據這些信息，我們可以理解為什麼這個信號對應於某些類型的身體或物體。」他補充說，他們的設計將實施 RIT 正在採用的其他技術，以幫助廣泛提高識別能力和準確性。 他們正在開發的新感測器。
鄭和團隊目前的研究結果概述在最新一期的《機器人與人工智慧前沿》雜誌上。
從海豹鬍鬚中汲取靈感
海豹晶須啟發海洋技術
通過觀察自然，仿生工程師設計出新型感測器
一隻夏威夷僧海豹在帕帕哈瑙莫誇基亞海洋國家保護區內游泳。 海豹的鬍鬚原來是非常靈敏精緻的設計，可以幫助海豹追蹤獵物。 （美國國家海洋和大氣管理局）A Hawaiian monk seal swims in the Papahanaumokuakea Marine National Monument. Seal whiskers turn out to be remarkably engineered to help seal track prey. (NOAA)
作者：希瑟·比姆
夜色很快就臨近了。 斑海豹跳入水中，隨著陽光的退去，潛入更深的地方。 她在黑暗渾濁的水中尋找魚。 突然，她右臉頰上的鬍鬚開始顫動。 她走了。
希瑟·比姆 (Heather Beem) 正在仔細研究海豹鬍鬚，以獲取設計新海底技術的見解。 （新英格蘭水族館；插圖：Heather Beem，伍茲霍爾海洋研究所）
和許多其他動物一樣，海豹可以用鬍鬚觸摸物體來確定物體的大小、形狀和距離。 但我們的海豹去抓的魚卻沒有碰到她的鬍鬚。
海豹是否也可以用鬍鬚「感覺」周圍的水流來追蹤游過的魚？ 2000年代初，德國羅斯托克大學的海洋生物學家開始探索這一理論。 他們進行了實驗，將眼罩和耳罩放在密封件上。 儘管如此，這種動物不僅能夠探測到移動物體的存在，而且還能在任何可見的蹤跡消失后長時間追蹤它們。 研究人員越來越清楚地認識到，海豹具有一種不可思議的能力，即使是水中最微弱的信號也能描繪出黑暗、水汪汪的環境。
這一發現引起了大西洋彼岸麻省理工學院拖曳水箱實驗室研究小組的工程師們的興趣。 我們能否從海豹身上學到一些技巧來克服在設計具有更好導航和感測能力的水下航行器時面臨的挑戰？
德國羅斯托克大學海洋科學中心的科學家在實驗中使用耳罩和眼罩，結果表明海豹利用鬍鬚檢測水流模式來追蹤魚類。 （羅斯托克大學海洋科學中心）
流體動力學和仿生學
海上結構中圓柱形立管腿和電纜周圍流動的水流造成了工程困境，因為它們會引起振動，從而導致結構疲勞。 對其他圓柱形水下結構（海豹須）的仔細研究可以為工程師提供見解。（傑克·庫克和埃里克·S·泰勒/伍茲霍爾海洋研究所圖形服務繪製的插圖）
當羅斯托克海豹生物學家的工作消息傳到我們的研究小組時，它激發了我們對我們正在追求的兩條主要研究線索的新思考。 第一個涉及大型海上結構（例如石油鑽井平台）的振動。 這些結構周圍的電流穩定流動會引起顯著的、長時間的振動，從而導致結構疲勞。 在過去的三十年裡，我的博士學位。 顧問 Michael Triantafyllou 教授領導的研究揭示了海上結構中的立管腿和電纜周圍流動的基本物理原理，更根本的是圓柱體周圍的流動。
麻省理工學院的研究人員是海洋仿生學的先驅：利用自然界中觀察到的特徵來設計新技術。 一個例子是 RoboTuna，這是一種水下航行器，它利用了在魚類中觀察到的高效游泳運動。 （奧林機器人實驗室）
我們的團隊還開創了海洋仿生學領域：利用自然界中觀察到的特徵來設計新海洋技術的科學。 一個例子是 RoboTuna，這是我們實驗室開發的一種水下航行器，它利用了在高效遊動的魚類中觀察到的運動。 這項研究不僅使我們能夠設計改進的水下推進系統，還使我們能夠揭示魚類游泳的一些基本物理原理，而這些是我們僅通過觀察無法獲得的。
我們抓住了這個機會，將我們對振動和仿生設計的興趣結合起來，並對海豹晶須進行研究。 我們有兩個目標：第一個是揭示圓柱形結構（海豹的鬍鬚）周圍流體流動的基本物理原理如何使它們能夠感知周圍的環境。 第二個是利用我們的發現來設計一項新技術：可以跟蹤逐漸消失的流體動力學軌跡的流量感測器。
安裝在自主水下航行器（AUV）上的這種感測器將提高航行器的導航能力。 車輛可以使用另一個感測器來「感覺」移動物體，而不是像現在那樣僅依靠反射的聲波（像蝙蝠一樣聆聽來計算其位置並檢測物體）。
為什麼要關注自然？
海洋學工程師希瑟·比姆 (Heather Beem) 從小就對自然世界產生了興趣，當時她陪伴水生生物學家父親到野外採集水樣。 （希瑟·比姆提供）
我的父親是一名水生生物學家，當我還小的時候，他帶著我和兄弟姐妹在溪流中跋涉，採集水樣進行測試。 我很高興能被自然世界包圍，所有的感官都增強了。 新鮮的空氣、雙腿周圍清涼的水流以及粘糊糊的岩石都表明那裡有無數未知的事物有待發現。
隨著時間的推移，我開始了解自然界中發生的許多事情，這些事情乍一看似乎是不可能的：例如，一種名為墨西哥四目魚的盲魚，它可以以某種方式穿過洞穴，或者可以穿越數千英里的海龜 穿越公海，精確地到達它們的築巢地點。
現在，我工作的核心就是在父親翻開的岩石下面尋找新生物的好奇心。 它迫使我去發現工程師可以學習的自然界現象，例如海豹進化來定位魚在水中留下的「足跡」的機制。
魚鰭的每一次揮動都會使水形成一個稱為漩渦的漩渦，在魚離開後會持續數秒。 海豹能用鬍鬚感知這些軌跡令人驚訝，因為正如我們的研究小組所熟知的那樣，像鬍鬚這樣的圓柱形物體應該在流水中自然振動。 那麼，如果游泳的海豹的鬍鬚已經自己振動得很厲害，它們怎麼可能注意到魚跡引起的鬍鬚振動呢？
海豹用鬍鬚「感覺」並追蹤魚的「足跡」。 （希瑟·比姆和埃里克·S·泰勒/伍茲霍爾海洋研究所圖形服務繪製的插圖）
振動和渦流
流體通常不會在圓柱形物體周圍順利流動。 相反，水流脫離物體形成漩渦，類似於魚產生的漩渦。 每個漩渦都在快速旋轉。 根據伯努利方程（這也有助於解釋飛機如何保持在高空），每個渦流都是一個低壓或吸力區域。
（埃里克·S·泰勒/伍茲霍爾海洋研究所圖形服務繪製的插圖）
當渦流遠離物體時，它本質上會將物體拉向它，並且持續拉動，直到渦旋旋轉得足夠遠。 由於渦流以交替的方式從圓柱體的兩側剝離，因此它們在圓柱體的兩側施加吸力。 因此，當水流過圓柱體時，圓柱體會前後或上下振動（取決於圓柱體是垂直還是水平方向）。 當振幅與物體本身的直徑一樣高時，就會發生這種情況。
出於同樣的原因，您的汽車收音機天線可能會在您駕駛時晃動，而海上平台甚至會在最輕微的洋流中搖擺。 理論上，海豹游泳時鬍鬚也會振動。
斑海豹鬍鬚側面和頂部的特寫顯示，它們不是圓形的，而是波浪形和橢圓形的。 （Hanke 等人，《實驗生物學雜誌》，2010 年）
為了探索這個問題，羅斯托克的生物學家在其中一隻斑海豹的頭上安裝了一台相機。 他們近距離觀察了鬍鬚，並做出了一個關鍵觀察：當海豹向前遊動時，動物的鬍鬚似乎沒有像大多數圓柱形物體那樣振動。 科學家們推測，這與海豹鬍鬚的不尋常形狀有關。 從它們的尖端看，它們不是圓形的，而是橢圓形的。 而且鬍鬚的側邊不是直的，而是波浪形的。
人造鬍鬚
Heather Beem 使用立體光刻技術製作了斑海豹鬍鬚的塑料複製品，其形狀精確，但比真實鬍鬚大 50 倍。 （希瑟·比姆，WHOI）
我對他們的觀察很感興趣，開始自己進行實驗。 我製作了一個斑海豹鬍鬚的中空塑料複製品，其形狀精確，但比真正的鬍鬚大 50 倍。 我們使用了一種稱為立體光刻的工藝，該工藝採用計算機控制的激光在液體聚合物上繪製晶須的三維形狀。 聚合物在與激光接觸時硬化。
放大的晶須使得在實驗中更容易測量它的振動方式。 我將鬍鬚模型浸入兩米長的水箱中。 它安裝在一組經過編程的電機上，以恆定的速度沿著坦克的長度牽引它並施加各種振動。 附著在鬍鬚上的感測器測量它感受到的力。 一些測量計算證實，晶須獨特的形狀確實使其能夠避免圓柱體所經歷的自然振動。
在一個測試池中，希瑟·比姆拖著她的大型海豹鬍鬚複製品。 為了可視化周圍形成的漩渦，她添加了微小的塑料顆粒，這些顆粒隨著流體流動而傳輸。 激光照射粒子，相機捕捉它們形成的圖案。 （希瑟·比姆，WHOI）
我還使用了一種稱為粒子圖像測速的技術來可視化晶須後面形成的漩渦。 我們添加了隨流體流動而傳輸的微小顆粒（微米大小的塑料球）。 激光照射粒子，相機捕捉它們形成的圖案，使我們能夠繪製流體動力學圖。
圖像顯示，晶須的反應與圓柱體的反應截然不同。 它不是以交替的方式從頂部和底部釋放出大而連貫的漩渦，而是在其後面釋放出混亂的漩渦。 結果，渦流對晶須施加的整體吸力要弱得多，導致晶須振動較小。
不同形狀背後的二維流動的再現表明，光滑的橢圓柱體（頂部）會產生大的連貫渦流，從而導致大的振動。 輪廓晶須形狀（底部），例如海豹晶須，也會產生渦流，但它們的連貫性較差，導致的振動較小。 （希瑟·比姆，WHOI）
設計仿生感測器
希瑟·比姆（Heather Beem）實驗中的設置代表了鬍鬚沿著魚蹤跡時所經歷的情況。 晶須感測器上游的大圓柱體會產生類似於魚尾跡的渦流流體動力軌跡。 滴入水箱的紅色染料使「魚」後面的漩渦著色，相機捕捉到了這些圖案。 應變計測量感測器被拖到氣缸後面時的振動。 （插圖由 WHOI Graphics Services 的 Heather Beam 和 Eric S. Taylor 繪製）
大自然似乎已經改進了海豹須的形狀，以避免幾十年來困擾海上工程師的振動。 也許將波浪形的「晶須狀」形式納入立管腿的設計中可以減少結構疲勞。 我們假設，因為海豹游泳時鬍鬚不會振動，所以當它遇到獵物身後尾流造成的水流擾動時，它就會開始振動。 有了這個假設，我開始設計一種受鬍鬚啟發的感測器來測試它如何響應流體動力學軌跡。
首先，我設計了一種裝置，它結合了鬍鬚獨特的幾何形狀，並允許「鬍鬚」在其附著的底部自由移動，就像在海豹的臉頰上一樣。 然後我設計了一個設置，簡單地代表了鬍鬚在跟隨魚蹤跡時所經歷的情況。 我在鬍鬚的上游放置了一個大圓柱體，以產生在某些方面類似於魚尾流的水動力軌跡。 紅色染料滴入水箱中，為「魚」後面的漩渦著色。 通過應變計，我可以測量鬍鬚被拖在魚後面時的振動。
實驗結果表明，當鬍鬚遇到渦流時，它會振動，上下移動，完美地在迎面而來的渦流的上方、下方和之間，就像一個迴轉滑雪者一樣。 根據鬍鬚振動的程度和速度，海豹或許能夠估計漩渦來源的方向和大小。 （插圖由 WHOI Graphics Services 的 Heather Beam 和 Eric S. Taylor 繪製）
測量結果表明，當晶須遇到尾流時，它很快就開始大幅振動。 它上下移動，完美地在迎面而來的紅色漩渦的上方、下方和之間，就像一個迴轉的滑雪者。 魚在渦流中遊動時也觀察到類似的運動。 我們知道，這種「迴轉」允許下游物體從尾流中提取能量。 就海豹而言，這意味著它的鬍鬚在出現渦流時會強烈振動。 根據鬍鬚振動的程度和速度，海豹不僅可以檢測到此類尾流，還可以估計尾流的來源有多大。
完善這種鬍鬚感測器還有很多工作要做，但 AUV 具有通過感覺和聲音評估周圍環境的潛力。 有一天，漁民也許能夠利用它——不僅可以檢測船下是否有魚，還可以追蹤魚游過的蹤跡。 科學家們也許能夠通過感知從熱液噴口流出的液體產生的遙遠漣漪來尋找海底的熱液噴口。
飢餓的海豹會時刻準備著鬍鬚，尋找尋找食物的微小線索。 我將繼續翻動岩石，從大自然中尋找其他有用的教訓，等待被發現。
這款原型流量感測器由 Heather Beem 設計，採用了海豹晶須的幾何形狀。 感測器作為其底座可以自由移動，就像海豹臉頰上的鬍鬚一樣。 （希瑟·比姆，WHOI）
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