回顾人工侧线传感器制造和仿生机器鱼申请

文摘

侧线系统的感觉器官可以帮助鱼类操作在一个黑暗的环境。人工侧线(所有)模仿鱼类的侧线结构并提供宝贵的鱼underwater-sensing技术和机器人控制方法。本文综述,包括传感器制造和应用机器人鱼。侧线的生物物理学是首次引入增强侧线结构和功能的理解。所有传感器的设计和制造各种传感原理的基础上提出。所有系统传感器的集合,包括载体和控制电路。它们的结构和水动力检测进行了综述。最后,进一步的研究趋势和存在的问题进行了讨论。

1。介绍

横向线是感觉器官的集合,使鱼类在黑暗的环境中操作‎(1]。鱼有两种类型的侧线受体,即electrosensory mechanosensory。的mechanosensory侧线系统存在于所有鱼类和水生两栖动物和感官在皮肤表面水运动‎(2]。人工侧线(所有)是一种仿生设备,主要是模仿mechanosensory侧线;它可以探测水下水动力的刺激和协助导航机器人智能水下机器人(auv和鱼类。随着现代制造技术的发展,世界各地有许多学者研究。本文概述的所有,包括所有传感器和系统。所有系统是一种特殊的载体包括所有传感器和控制电路。所有传感器提供了一种新颖的方法来水下传感流动,而所有系统有助于改善水下车辆和机器人的机动性鱼类。

所有的传感器都可以分为两种类型根据位置。一个人站在载体表面,另一个位于运河。许多流田间测量技术存在,如轮流量计、压力探头,热线风速计(单),和声学多普勒测速。与这些技术相比,所有的传感器都灵活,适合形成分布式阵列‎(3]。所有系统根据传感器可分为两种类型。一个是现成的压力传感器的集合,对湿度和水保护,如MS5407-AM‎(4)和sm5420c - 030 a - p‎(5];其他由遥感平台的人工传感器分布在表面。

在下面几节中,本文介绍了生物学的鱼侧线和评论所有传感器传感模式的基础上,载体结构和水动力检测的成就。最后,所有的研究趋势及存在的问题进行了讨论。

2。鱼类侧线

Stenon‎(37)首先描述侧线在17世纪。而‎(1)发现侧线是水动力受体系统。在过去的几十年,侧线研究实质上的进展,特别是在生物力学、神经解剖学,仿生学‎(3]。

生物传感单元的侧线神经丘,受体器官,由感觉毛细胞和支持细胞覆盖的凝胶状的吸盘‎(38]。两个敌对的头发细胞群被发现在每个神经丘编码方向和位移‎(39]。表面的神经丘(SNs)是独立的皮肤上或基座上方的皮肤生长,通常这些成行排列在鱼的身体‎(40)(图1(a))。运河神经丘(CNs)封装在充满液体的运河在皮肤表面。运河穿过皮肤和水定期接口‎(6]。通常,两个相邻孔之间有一个CN(图1(b))。每个神经丘具有胶状吸盘包装与数以百计的毛细胞纤毛和‎(3]。

虽然毛细胞位移传感器,位移的吸盘是相对于粘性阻力,因此水粒子的速度;因此,SNs流速主要敏感。SNs的频率响应是定义为cupular偏转在梁的高度除以自由流速度。灵敏度是指‎(41]

中枢神经系统被视为加速度传感器因为运河流体速度几乎是第一个完整的导数成正比管外的流动速度‎(42]。的频率相关敏感性CN吸盘可以被定义为‎(43] 在哪里被定义为粘性的过渡频率或惯性流体部队主导吸盘上的流体力;它可以表示为 在哪里是流体的动力粘度。被定义为的共振因素支配的共振特性吸盘;它可以表示为 在哪里是水的密度。中枢神经系统也可以被视为压力梯度加速度传感器因为水的压力梯度引起加速度成正比。因此,侧线使鱼类来检测压力分布的侧线运河(中枢神经系统)以及流速和方向在身体表面(SNs)‎43]。SNs可以区分字段在空间均匀流和湍流,而中枢神经系统反应不均匀流场,诸如水波动所产生的振动范围或游泳鱼‎(44]。

不同的鱼类有各种组织的外围侧线。这变化包括SNs的数量和位置和分布,各自为政,和维度的运河以及数量、尺寸和位置的管孔(40,45]。在大多数鱼类,运河定位高于眼睛,眼睛下方,下颚。例如,在一些鱼Rhodeus,树干运河并不在整个鱼身体‎(7]。所有系统与常规的对称分布的感官数组,这是类似于鱼直接暴露于水,但他们的数量是有限的,12个或更少。

3所示。人工侧线传感器

理论模型的生物学家建立了侧线的数学模型揭示神经丘的传感功能的机制以及他们如何与液体进行交互。Shizhe‎(3总结了数学方法和传播路径(图2)的SNs,中枢神经系统对频率响应。中枢神经系统来自管绕流流,而当地的SNs绕流来自于边界层流动。当地球激励和外部自由流流,一般cupular反应之间的相互作用和外部刺激是由边界层。CN是一个无摩擦的生物力学模型板的刚性半球滑动。SNs的模型由两个连接梁抗弯刚度不同。不同神经丘的频率响应与外部刺激的传播路径纤毛弯曲。

这些数学模型可以帮助了解理论感知机制和作为灵感的传感器。目前,许多先进的技术有利于开发传感器具有灵敏度高、分辨率好,可以匹配的能力真正的鱼。通过应用塑性变形磁组装(PDMA)技术和开发微机电系统(mems),许多学者都设计和制造各种传感器。

微机电系统是一种新型的批量制造技术开发机电系统,类似于那些用于集成电路设计。他们的范围可以从微米到毫米,这是适合发展中微传感器。他们有几个优点,即体积小、批量制造的可能性,和低成本集成电子能量消耗少以及潜在‎(46]。PDMA技术对微观结构的三维装配。它被广泛应用于开发各种传感器高可控性。在PDMA,垂直的一部分,所有传感器获得塑性变形产生的磁力所引起的附加磁块与外部磁场。PDMA具有结构简单、良好的电气连接,简单的材料,操作方便‎(47]。

现有所有的传感器都是基于不同的传感原理,如压阻效应、压电效应、电容原理、光学读出原理和原则。以下部分将讨论所有传感器的研究现状与不同的传感原理。

3.1。压敏电阻的所有传感器

压阻效应是一个半导体或金属的电阻率变化时,应用应变。它有高灵敏度的优点,宽频带,高信噪比、结构简单,重量轻。应变仪通常用于测量。与压电效应相比,压阻效应的原因只在电阻改变,不在电势;因此,它通常被用来测量对象的小运动。尽管许多团体使用压敏电阻原理,输出直流响应差,和一个高阻抗电路或电荷放大器必须用来克服这个缺点。

在所有的传感器,基于动量转移,应变仪通常用于测量;他们通常放置在最敏感的位置流来提高灵敏度的测量‎(48]。电源需要把传感器在压敏电阻的惠斯通电桥传感器。惠斯通电桥的输出电压,改变水的动作,可以测量‎(17]。

首先压阻传感器被风机制造等。8]2002年;他们提供了一个典型的毛发状结构压阻传感器(图3(一个))。传感器有三个基本部分,即水平悬臂,垂直纤毛,压敏电阻器。所产生的力量应用于垂直纤毛当地流水平悬臂梁的弯曲引起的,这是与应力-应变计检测到。传感器制造了大量微加工技术的结合和有效的三维装配工艺。垂直的头发结构获得了使用PDMA过程。压敏电阻器和悬臂梁被掺杂和蚀刻技术实现。陈et al。‎9)上面的传感器相比有热线风速仪和优化对高空间分辨率(图3 (b))。垂直结构是刚性连接到水平衬底,和应变仪放置在头发基础‎(3]。

为了提高灵敏度和分辨率,杨et al。10,32)开发了一种新的传感器,采用high-aspect-ratio头发结构对称缸的形状。传感器的阈值是0.1 mm / s,和传感器幸存55°变位(图3 (c))。头发的材料结构SU-8。2011年,一个新的优化工作施加通过将传感器阵列在semicylindrical-shaped运河(直径4毫米)‎33]。运河使用有限元结构制造技术。所有运河对噪音抑制(图表现良好3 (d))。

达到阈值的敏感性,竞争对手综合鱼流的感官系统,McConney et al。‎11)封装SU-8头发结构调剂水溶性聚乙二醇使用精密drop-casting技术。这提高了灵敏度约两个数量级(图3 (e))。人造水凝胶吸盘的制造过程包括单体传播头发传感器,图案的光聚合,除去未反应的单体层结合肿胀和塑造的圆顶状吸盘‎(49]。

在所有传感器、压敏电阻器的材料总是基于硅。Qualtieri et al。‎12]利用镍铬合金材料压敏电阻器的80/20,捏造stress-driven氮化铝(AlN)悬臂传感器,它利用多层悬臂/钼(Mo)。悬臂阵列所使用的微加工技术包括光学光刻和蚀刻过程。这种制造方法是承诺由于其简单的制造过程。装配式悬臂定向和敏感,需要低的力量(图3 (f))。

以上所有的传感器都有毛发状结构基于悬臂梁挠曲的水动作。传感器尺寸在微米级别。其他压阻传感器主要检测水下压力波动与平面结构,压敏电阻材料是直接安装在底物来确定流体流动引起的压力变化。

解释水动力分布,费尔南德斯et al。‎13]给出了实验证明圆形和方形截面障碍之间的歧视与数组的商业压力传感器,介绍了压力传感器和一个高密度阵列(图4(一))。一个应变计安装在柔性衬底上充当传感元素,这是一个20μ米厚的硅层放置在一个正方形的边缘硅腔宽度2000嗯。水下机器人可以检测和定位附近的障碍和优化导航通过测量压力波动作用于车辆表面在非定常流高密度压力传感器阵列。

产生一个增强的性能在水下监测,Kottapalli et al。‎14)开发灵活的阵列聚合物MEMS压力梯度传感器,可方便地安装在曲面AUV的身体。传感器由一个液晶聚合物(LCP)膜沉积与黄金压敏电阻器(图4 (b))。连结控制协定膜材料提供高鲁棒性和敏感性与硅头发垂直结构或薄金属悬臂梁。Cr (20 nm) /非盟(700海里)厚金层是气急败坏的集成设备在柔性衬底上。100年金属媒体μ米厚的连结控制协定图案形成电气连接了灵活的支持。

水下传感,传感器需要表现出较高的声压灵敏度波动在一定范围内的水。Yaul et al。15,34)提出了一个灵活的所有压力传感器阵列(图4 (c))。每个传感器由一个PDMS隔膜和电阻应变仪包含复合导电碳black-PDMS。4个传感器的间隔15毫米被安排在一个线性阵列,建立了动态响应模型。

表1总结了压阻传感器。传感器和一个垂直的头发主要是敏感的流速,和平坦的所有压力传感器主要是敏感13- - - - - -15]。

3.2。压电传感器都

压电的电荷积累在某些固体材料在应用机械应力。电源需要压敏电阻或金属应变仪系在一个惠斯通电桥传感器。流刺激作用于传感元件会产生一个电压输出。但传感器的压电效应的基础上,不需要电源。表2提供了一个简易的压电传感器。

对于bioinspired水下传感、Asadnia et al。‎16捏造和压电传感器阵列的特点Pb (Zr0.52Ti0.48 O3薄膜(图)5(一个))。一个浮底电极是为了探测水的运动频率较低。安排在一个传感器数组与黄金互联灵活的连结控制协定衬底。他们自供电的,不需要外部电源,这是有利于减少电源的笨重的负载在水下车辆。

2015年,同一组‎(17装配式灵活和表面贴装的MEMS传感器阵列与版本的SNs和中枢神经系统基于压电传感原理(图5 (b))。stereolithographically捏造的传感器优化聚合物毛细胞与浮底电极安装在小型隔膜。Canal-inspired系统包含一个运河的聚合物;表面上有毛孔的运河引导流向外所有传感器位于运河。中枢神经系统可以减少干扰产生的低频大幅稳定流动和过滤掉振荡流低于10赫兹。

Abdulsadda et al。18,35,50- - - - - -52)利用离子高分子金属复合材料固有的感应能力(IPMCs)开发所有传感器(图5 (c))。复合材料由三层和离子交换聚合物膜放置在金属电极之间。在聚合物内部,阴离子共价固定移动阳离子聚合物链是由带正电的平衡。极化引起的薄板的变形产生可检测的电气输出,可以弯曲振幅成正比的垂直的头发。

3.3。电容式传感器都

电容检测原则有灵敏度高、低功耗的优点,是一种新方法来模仿传感头发上发现蟋蟀的尾须。电容式传感器是一种转换系统,将水动力激发转换为电容能改变‎(3]。

灵感来自于声学flow-sensitive头发上发现蟋蟀的尾须,Krijnen et al。19,23,53]利用牺牲多晶硅技术和SU8聚合物加工技术制作硅nitride-suspended膜和细毛直径在50嗯(图1毫米6(一))。有薄铬膜电极的顶部形成变量的参数和一个电容读出所提供的衬底。丝状毛有高灵敏度接近热阈值和被感知低频声音。Dagamseh et al。12,54)评估这个传感器阵列检测的能力产生的流速分布一个振动领域和研究各种来源的影响参数对目标距离测量。

灵感来自密封鼻毛,袜子等。‎(20.)设计了一种电容whisker-like传感器测量流速和方向(图6 (b))。传感器是平行板电容器由PDMS膜分为四个不同的象限和一个刚性人工须安装在顶部的叠锥基地。数值模拟预测的电容输出信号范围内1 pF当流速范围从0到1.0 m / s。

3.4。光学所有传感器

光学传感原理探索制造所有的传感器。克莱因和Bleckmann‎(21开发所有运河配备光学流传感器。他们可以检测到静态振动所产生的水运动球体,周期性的动荡造成的上游圆柱,或水波动引起的传递对象(图7(一))。透明硅胶棒是捏造的,安装在运河段。红外发光二极管照明在每个硅胶条检测杆的弯曲。一个光纤SMD光电晶体管是照亮硅胶条的另一端,和输出放大。晶体管的输出是一个模拟-数字转换器(ADC)和转移到计算机存储。运河上的毛孔表面之间的压力差导致流体在运河,这反过来使得硅胶酒吧偏转。

在同一机构,赫尔佐格et al。‎22]使用所有运河来估计总体流动的时空传播速度流起伏不定。他们在模形式(图优化设计7 (b))为目的的工业应用自来水的流量测量。利用有限元方法分析运河系统内的流动特性和流量之间的关系和运河维度。通过一个灵活的膜,传感器从主流中分离了出来。实验表明,该运河都是能流波动感。

3.5。热线所有传感器

电热热线风速计利用一根细导线,高于环境温度。由于大多数金属的电阻与温度成正比,而水流过去线导致冷却效果,金属的电阻之间的关系和流速。这种关系是用于测量风速,可以以低成本生产,效率高;因此,研究人员探索开发所有传感器。

2006年,杨et al .‎55)开发了一种surface-micromachined,平面外所有传感器阵列使用热华(图的原则8(一个)),它表现出高灵敏度、小尺寸、低干扰流场。衬底上方的热丝是由两个尖头叉子,类似于SNs鱼。首先,光刻技术使传感器在平面上,然后利用三维磁组装法组装的飞机。光刻定义生成的高程与设计长度的尖头叉子。由于光刻技术、微型机械传感器可以取代一个实际贯穿长度从50μ米2毫米。中枢神经系统的启发,鱼,Chen等人‎(24)把所有的传感器阵列到运河的距离和位置跟踪振动偶极子源(图8 (b))。潘德亚et al。‎56实现一个算法,协助水下振动偶极子源定位和跟踪。

刘et al。‎(25)提出了一个新的微机械hot-film所有传感器实现的镀膜过程结合标准的印刷电路(图8 (c))。Cr / Ni / Pt的传感元件由电阻温度系数为2000 ppm / K。预印在一个灵活的印刷电路板通过磁控溅射或脉冲激光沉积。传感器容易附加表面的对象,因为他们有良好的机械性能和感应能力,结构简单,灵活性。

4所示。人工侧线系统

在前面的小节中,传感原理、设计方法、制造技术,并介绍了所有传感器的响应特征。本节的重点是应用程序的所有鱼类和水下机器人。根据他们的结构,所有系统可分为刚性载体和机器鱼。机器人载体是一个仿生机器人鱼会游泳的鱼的尾鳍,检测与压力传感器来检测水动力的刺激。刚性载体是一个传感器平台的刚体本身不能移动。与不同的轮廓形状、结构和传感器分布,所有系统可以测量不同的水动力参数,实现仿生水下航行器辅助导航控制。

4.1。所有系统的结构

以下4.4.1。严格的所有航空公司

以下所有系统传感器平台刚体和forced-to-fixed取向。这一切系统主要应用于水下传感AUV控制流。

灵感来源于鱼侧线,迪亚et al。‎26)发明的所有系统配备了微型机械和商业单传感器。有两个实验几何图形形成不同的传感器安排和水动力收购。首先是一个线性排列组成的16单。第二个是固体翼模仿鱼的外观,由13单(图9(一个))。他们成功地抓住了偶极子源时,源对角通过线性几何图形。

仿生传感方法提高水下机器人导航的能力和应对外部环境干扰。DeVries et al。‎27设计和建造一个机器人实验演示分布式流量传感和闭环控制策略。3 d打印技术被用来制造2 d-airfoil机器人原型由儒科夫斯基的特征映射参数和挤压在垂直方向(图9 (b))。减少流体的影响,压力传感器安装上面,该传感器区域。

流体相互作用发生的感应,钱伯斯et al。‎28)开发了一个所有系统3 d都头来调查的压力应对水动力激发(图9 (c))。有33个测压孔排列的头表面,模仿自然系统,另一个33传感器被橡胶油管连接到相应的阀门。

为了更好地理解感知环境,Venturelli et al。‎4)开发了一个所有系统刚体和弯曲头(图9 (d))。双方的压力传感器的分布式并行。流的可视化政权首次通过数字粒子图像测速技术显现的本地测量获得的所有系统。

4.1.2。机器鱼所有的载体

机器鱼载体是机器鱼尾鳍。它配备压力传感器来检测水动力刺激。这所有航母主要用于研究控制策略和移动机器人鱼的特征。

解决问题的感应周围的水动力环境中水下机器人,李et al。‎(29日)设计一个机器鱼的所有系统与9个压力传感器(CPS131)(图10 ())。三个传感器位于前面的鱼头,而其他六人左右对称分布。印刷电路板上的压力传感器在焊接和嵌入在机器鱼,离开传感芯片接触水下世界。

仿生推进器的水动力的导航援助Salumae和Kruusmaa30.,36)利用丝状的机器人鱼配备五个压阻压力传感器(MS5407-AM)来检测水动力刺激和控制机器人运动的流体环境(图10 (b))。硬质塑料的身体内的传感器安装和连接到外部通过阀门的压力。共有五个测压孔的头表面分别分布在鼻子尖,两边50毫米和100毫米的鼻子。

Fuentes-Perez et al。‎5]开发了一个系统的塑料外壳虹鳟鱼(图10 (c))。所有平台配备16压力传感器(sm5420c - 030 a - p - s)与灵敏度在0到207 kPa和两个使用硬件加速计(ADXL325BCPZ)。所有系统旨在创建一个方便的水下流速估计的算法。

速度控制策略,Kruusmaa et al。‎31日)开发出一种sensing-actuation机器人鳟鱼,检测到的波动流速通过压力传感器和调整其tail-beat频率保持静止在均匀流(图10 (d))。他们用Salumae一样的压力传感器。压力传感器信号传输增益是18位ADC的8倍。传感器的灵敏度为3.57 Pa的ADC参考电压2048 V。所有的电子元件被安装到一个防水袋,放置在机器鱼的头部。表3总结了所有系统的成就。

4.2。水动力检测

研究人员已经开发出所有系统对水下水动力场测量人工设备之间实现类似的性能和真正的鱼。杨et al。‎(10)开发了一种波束形成算法,允许所有传感器阵列来描述现实的水动力事件在一个3 d领域,也是成功申请所有系统在‎25]。不同于线性阵列传感器,传感器在所有系统分布沿流线体表面与对称安排,这是检测水动力环境。水下流场的检测包括流态歧视,速度估计,定位检测和目标识别。传感信号和数学分析系统,采用车辆控制策略总结提高操作效率。

4.2.1。准备流态的歧视

两种基本的流体状态,即均匀流和周期性的动荡。周期性的动荡意味着定期漩涡脱落在均匀流对象,称为卡门涡街(变电站)。这种液体的现象可以在实验室复制设置。变电站的歧视均匀流可以通过分析波动的大小和主频率‎(36]。

Kottapalli et al。‎14]研究了流态歧视基于湍流强度和优势频率传感器的共识。变电站的平均气流密度估计为30%高于均匀流。超过一半的传感器同时检测涡脱落频率(粘胶短纤)作为他们的主要频率。

钱伯斯et al。‎28)提出,鼻子和周围的传感器之间的瞬时压力差可以指示在低湍流巡航速度。湍流强度测量短时间窗口(0.2秒)验证了这项提案。湍流强度峰值清晰可见的中心地区的压力数据。

4.2.2。速度估计

皮托管的主要速度估算方法是方程,由伯努利方程。此方法需要驻点(之间的压降、静压)和第二点压力(、动态压力)在身体表面的自由流流。当系统对齐到迎面而来的流程,系统的鼻子尖上的压力传感器获得滞止压力,而横向动态压力传感器测量。半经验的修正因子()必须应用到方程,因为传感器静态和动态压力。另一种方法只使用机器人上的平均压力。之间的关系的平均压差和流速是配备了一个多项式方程‎(36]: 在哪里密度和水吗流速。

虽然上述方法可以直接估计流速计算压差,传感器在每个测量之前通常需要校准。Fuentes-Perez et al。‎5)提出了一个两阶段的信号处理方法,它不需要传感器校准。首先,压力振荡进行了频域分析的采样间隔几秒钟。第二,重新取样进行估计与伯努利关系的原始取得率。

与刚体的所有,在一定速度的均匀流,粘胶短纤在变电站的大小可以是一个指标来估计流速‎(28]。然而,流速只能从粘胶短纤的检索如果缸大小是已知的,这不是在一个自治机器人朝着电流。Chagnaud et al。‎57)建议互相关原理。在下游方向两个灵活micropillars分离是利用测量弯曲运动引起的流。互相关的弯曲运动提供了一个准确的估计流的速度矢量的方向micropillars。

4.2.3。流方向检测

所有系统可以确定系统的取向对迎面而来的流。当平台来流平行,驻点位于头部的对称点;因此,可以采用驻点(图方向的判断11)。

Venturelli‎et al。4]分析了潜艇的两侧压差来计算偏转角的潜艇。时空的压力的平均值来衡量每个数组可以是一个指标。流平台一致时,它是平等的,而平台的角度对流动时,它是不同的。压差和这个角成比例。

Salumae et al。‎36)进行了比较分析,确定平台的方向和位置,这是同样的原理,Venturelli et al。‎4]。压差和机器人取向之间的线性关系是通过一个单独的分析电压输出的前部和后部传感器。压差的斜率与流速成正比。

4.2.4。目标识别

艺术可以本地化振动生物和非生物资源。通过应用自适应波束形成(阉鸡的方法),刘et al。‎(25)可视化水下流扰动,包括声偶极子源。成像偶极子源的误差小于10%。流体振动引起的人类手指也可以检测到所有的传感器。

Dagamseh et al。23)把粘胶短纤的大小作为一个预测识别源特性。在圆柱后面的区域,传感器平台位置吸区和涡的形成区可以估计的大小减少粘胶短纤。这是一个指标来跟踪平台的下游圆柱和一个独特的预测变电站识别。

4.2.5。机器人控制策略

学者开发了不同的控制方法对水下机器人和机器人鱼提高操作效率。

DeVries et al。‎27)提出了一个估计流属性和对AUV反馈控制策略。他们用势流理论模型背后的流动特性箔在均匀流和过去的一个障碍。自由流动速度的估计,攻角和相对位置的上游障碍是通过理论上合理的非线性估计。估计流特性是利用仿生执行行为,包括窃和站着。Kruusmaa et al。‎31日)派生一个线性控制律的人工鱼使用tail-beat频率和游泳速度之间的线性关系。他们实现了实验控制机载压力传感系统的游泳速度。Salumae et al。‎36)展示了一个导航的方式降低水下航行器的能源消耗。周期性的湍流流场,呆在车站后面一个对象可以减少能源消耗,因为这是减少流区域的一个对象。

5。研究趋势和存在的问题

在前面的部分中,我们介绍了所有传感器及其应用机器人鱼类,提供基本的客观了解所有的研究现状。目前,所有传感器无法比拟的能力自然侧线器官。为进一步研究,许多问题仍然未得到解决和探索。

理论模型,仍存在一些问题,如同步采集系统、流体和传感器之间传导效率,最佳的频率响应。对所有传感器、压阻效应是使用最广泛的,这可能达到75年的敏感性最高μm s⁻¹‎(11),但压敏电阻材料对温度变化敏感,因此需要严格的校准工作。电容的读出机制都与低功耗传感器可以提供高分辨率,但水不适当的导电介质的电气绝缘电极。制造所有传感器敏感相当于自然系统,精密加工技术需要改进。严格的环境要求,所有传感器应用远未批量生产和停留在实验室。

从能量的角度收集和自备,压电传感器是最有利的。Asadnia et al。‎16开发出一种压电传感器阵列,是自供电的,不需要外部电源。利用特定的流动而不是与他们竞争,AUV可以减少能源消耗,提高机动能力。水下传感,传感器必须与柔软的表面类似于鱼。因此,许多组织已经开发出柔性传感器阵列实现所有目标。例如,Yaul‎(34)提出了一个灵活的压力传感器阵列基于压阻效应,Asadnia et al。‎16surface-mountable]制造柔性压电传感器阵列,和刘et al .‎25)提出了一种新颖的玩具小汽车hot-film流量传感器系统。在这方面,最有可能自动导航的所有系统功能类似于鱼的柔软的身体。

所有数组,分布法继续需要一个彻底的调查,因为许多传感器目前常规的线性分布。提高收集有意义的水动力信息是很重要的。从仿生学的角度来看,内部连接的传感器空间,灵敏度和系统拓扑分布,探测效率应该决心澄清不同种类的传感器是否需要不同的时间间隔。

算法基于所有的努力应该弥补造成的误差和漂移电子和机械结构通过后续的信号处理和计算模型。一个实时或快速傅里叶变换可以帮助神经网络算法。长积分时间的实验室测量,考虑到鱼机器人在许多情况下,水动力刺激反应迅速,误差累积的问题目前的一个至关重要的问题,到目前为止还没有解决。必须提出新的算法,以确保所有可能是准确的在不同的流动环境中特定的一段时间。应该从离线数据处理计算机实时芯片,以及如何生成有意义的反应迅速的非定常水动力环境应考虑。

在未来,将有广阔的发展前景和提升空间,所有的应用程序将扩大,将使水下车辆更加自主和智能。与类似的感觉真鱼,可用于军事、水下搜索和救援,导航和环境监测。AUV控制,所有可以帮助提高操作效率并使水下机器人来执行各种任务,包括本地化和避免障碍以及导航在狭窄的空间中。

6。结论

在本文中,我们回顾了所有,包括生物物理学的研究,传感器制造和应用机器人鱼类。介绍了各种不同传感器基于传感模式。大多数的传感器是在微米级随着MEMS技术的发展和PDMA方法。75年的压阻传感器实现最高的灵敏度μm s⁻¹。压电传感器自供电的,高信噪比和宽的频带。电容式传感器能读出机制提供高分辨率和低功耗。他们在不同的方面表现出优良的传感性能。至于应用程序在水动力检测,湍流强度可以区分流态的分析基础。伯努利定律,粘胶短纤和互相关原理是有效的方法来估计流速。自适应波束形成算法图像一个偶极子源。对于机器人鱼,tail-beat频率和速度是线性化,使自主导航的方法。所有系统提供一种新的方法来检测水下流体领域,不花钱的和灵活的。随着新材料的出现和精密加工技术的发展,都将具有增强性能类似于真正的鱼。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突存在关于这篇文章的发表。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号61540010),山东的关键科学和技术项目,中国(批准号2014 gh Y115032),青岛民生科技计划(批准号14 - 2 - 3 - 63 - nsh)。

引用

1. j . Mogdans和h . Bleckmann应对流程:行为、神经生理学和鱼侧线系统的建模,”生物控制论,卷106,不。11 - 12,627 - 642年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. k . p . Maruska”形态的mechanosensory在板鳃类鱼类侧线系统:生态和行为方面的考虑,”环境生物学的鱼,60卷,不。1 - 3,47 - 75、2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. t . Shizhe“水下传感器、人工侧线流”微系统技术,20卷,不。12日,第2136 - 2123页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. r . Venturelli o . Akanyeti f关于et al .,“水动压力传感与人工侧线在稳定和不稳定流动,”生物灵感和仿生学,7卷,不。3、36004 - 36015年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. j . f . Fuentes-Perez j . a . Tuhtan r . Carbonell-Baeza et al .,“使用横向流速估计线性探针”,生态工程卷,85年,第300 - 296页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 库姆斯和j·c·蒙哥马利在“神秘的侧线系统”比较听力:鱼和两栖动物施普林格,页319 - 362年,纽约,纽约,美国,1999年。视图:谷歌学术搜索
7. 施密茨a、h . Bleckmann和j . Mogdans”组织表面的神经丘系统的金鱼,Carassius auratus,”杂志的形态,卷269,不。6,751 - 761年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. z粉丝,j . Chen j .邹布伦d, f . Delcomyn, c . Liu”设计和制造的人工侧线流传感器,”微观力学和微工程学》杂志上,12卷,不。5,655 - 661年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. j . Chen z粉丝,j .邹j .恩格尔和c·刘,“二维流体力学研究微型机械流传感器阵列,”航空航天工程杂志,16卷,不。2、85 - 97年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 杨y:阮:陈et al .,“与仿生人工侧线神经丘模仿鱼传感、”生物灵感和仿生学,5卷,不。1,文章ID 016001, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. d . m . e . McConney n . Chen陆et al .,“生物启发设计hydrogel-capped头发为增强水下流传感器检测,”软物质,5卷,不。2、292 - 295年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. a . Qualtieri组织者f . Rizzi, m . t . Todaro a . Passaseo r . Cingolani和m·德维托里奥”Stress-driven AlN cantilever-based鱼类侧线系统流量传感器,”微电子工程,卷88,不。8,2376 - 2378年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 诉我。费尔南德斯,s m .侯f·s·盘旋et al .,“Lateral-line-inspired mems-array压力传感被动水下导航、“2007。视图:谷歌学术搜索
14. A . g . p . Kottapalli m . Asadnia j . m .苗族g . Barbastathis和m . s . Triantafyllou“灵活的液晶聚合物MEMS压力传感器阵列的鱼水下传感、”智能材料和结构,21卷,不。11日,ID 115030条,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. f . m . Yaul诉Bulović,j . h . Lang”一个灵活的水下压力传感器阵列使用导电弹性体应变仪,“《微机电系统,21卷,不。4、897 - 907年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. m . Asadnia a·g·p·Kottapalli z沈,j .苗族和m . Triantafyllou“灵活和surface-mountable压电传感器阵列海洋水下传感的车辆,“IEEE传感器杂志,13卷,不。10日,3918 - 3925年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. m . Asadnia a·g·p·Kottapalli j .苗族m . e . Warkiani和m . s . Triantafyllou“人工鱼的皮肤自供电的微机电系统毛细胞感应水动力流现象,”《英国皇家学会界面,12卷,不。111年,文章ID 20150322, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. a . t . Abdulsadda x Tan,“水下源定位使用ipmc-based人工侧线,”诉讼的IEEE机器人与自动化国际会议上的11)举行(“国际机器人与自动化会议”,19卷,不。6日,页。2719 - 2724年,上海,中国,2011。视图:谷歌学术搜索
19. g . j . m . Krijnen m . Dijkstra j·j·范·巴尔et al .,“基于MEMS的头发流量传感器作为声学感知模型系统研究”纳米技术,17卷,不。4,S84-S89, 2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. j·b·袜、w·c·爱伯哈德和y . A . Shakhsheer”一个capacitance-based whisker-like人工为流体运动感应传感器,”《IEEE传感器,卷143,不。2,页2224 - 2229,Waikoloa,夏威夷,美国,2010年11月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. a·克莱因和h . Bleckmann确定物体的位置,涡脱落频率和流速通过人工侧线运河,”Beilstein纳米技术杂志》,卷2,不。1,第283 - 276页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. h·赫尔佐格s Steltenkamp a . Klein s Tatzner e·舒尔茨和h . Bleckmann”微电机流传感器模仿运河侧线神经丘”,机器》第六卷,没有。8,1189 - 1212年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. a . m . k . Dagamseh t . s . j . Lammerink m . l . Kolster c . m . Bruinink r . j . Wiegerink和g . j . m . Krijnen”Dipole-source本地化使用仿生流量传感器阵列的定位是侧线,”传感器和执行器:物理,卷162,不。2、355 - 360年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. j . Chen j·恩格尔,n . Chen迪亚,库姆斯,和c·刘,“人工侧线和水动力对象跟踪”19 IEEE国际会议的程序在微电子机械系统(MEMS 06年),页694 - 697,伊斯坦布尔,土耳其,2006年1月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. 朱p, r, r .,”一个灵活的流量传感器为流体力学测量系统及其特征,“传感器,9卷,不。12日,第9543 - 9533页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. 潘迪亚,y, c . Liu和d·l·琼斯,“仿生成像流现象,”《IEEE国际会议音响、演讲、信号处理(ICASSP ' 07),卷2,不。2,页933 - 936,檀香山,夏威夷,美国,2007年4月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. l . DeVries f . d . Lagor h . Lei x,和d·a·佩利“分布式流估计和闭环控制的水下航行器综合人工侧线,”生物灵感和仿生学,10卷,不。2、文章ID 025002, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. l·d·钱伯斯o . Akanyeti r . Venturelli et al .,“鱼的角度来看:检测流特性移动时使用人工侧线在稳定和非定常流,”《英国皇家学会界面,11卷,不。99年,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. w . w . y . Li Wang罗et al .,“游泳模式传感研究基于人工侧线系统的机器鱼,”兵器工业自动化,34卷,不。5,页88 - 92 2015(中国)。视图:谷歌学术搜索
30. t . Salumae和m . Kruusmaa Flow-relative水下机器人的控制,”英国伦敦皇家学会学报》上:数学,物理和工程科学,卷469,不。2153年,文章ID 20120671, 2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. m . Kruusmaa g .汤姆·t·Salumae et al .,“游泳速度控制和车载流动传感的人工鳟鱼,”诉讼的IEEE机器人与自动化国际会议上的11)举行(“国际机器人与自动化会议”,19卷,不。6日,页。1791 - 1796年,上海,中国,2011年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. 杨y:陈、c·塔克和j·恩格尔,“从人造头发细胞传感器人工侧线系统:开发和应用”诉讼IEEE国际会议上的微型电子机械系统(MEMS ' 07)科比,页577 - 580年,日本,2007年1月。视图:谷歌学术搜索
33. y, a . Klein h . Bleckmann, c .刘“人工侧线运河水动力检测,”应用物理快报,卷99,不。2、文章ID 023701, 2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. f . m . Yaul灵活的水下压力传感器阵列人工侧线的应用程序,麻省理工学院,2011。
35. a . t . Abdulsadda x Tan,“非线性estimation-based偶极子源定位人工侧线系统”《生物灵感和仿生学,8卷,不。2、文章ID 026005, 2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. t . Salumae Rano, o . Akanyeti, m . Kruusmaa“反流:Braitenberg鱼机器人控制器,”诉讼的IEEE机器人与自动化国际会议的举行(“国际机器人与自动化会议”12),页4210 - 4215,圣保罗,明尼苏达州,美国,2012年5月。视图:谷歌学术搜索
37. g·h·帕克,“鱼段的功能器官,”美国鱼类委员会的公报,24卷,第207 - 185页,1904年。视图:谷歌学术搜索
38. r . g . Northcutt“脊椎动物的系统发育分布和神经支配mechanoreceptive横向线,”Mechanosensory侧行施普林格,页17 - 78年,纽约,纽约,美国,1989年。视图:谷歌学术搜索
39. A群和j . Wersall”的研究取向的感觉毛侧线器官受体细胞的鱼,有特殊受体的功能,“《细胞生物学》杂志上15卷,19-27,1962页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
40. 库姆斯,j .詹森和j·f·韦伯侧线系统的多样性:进化和功能方面的考虑。感觉水生动物的生物学施普林格,纽约,纽约,美国,1988年。
41. s . m . v . Netten”激发的流体动力学的吸盘鱼运河侧线,”兽医皮肤病,18卷,不。5,324 - 331年,1991页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
42. a . j . Kalmijn功能的进化侧线和内耳感觉系统施普林格,纽约,纽约,美国,1989年。
43. s . m . Van Netten”水动力的检测段运河cupulae:物理和生理功能关系,“生物控制论,卷94,不。1,第85 - 67页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
44. j·恩格尔曼氏、w·汉克和h . Bleckmann”侧线接待在仍和自来水,”比较生理学杂志》:神经行为学、感觉神经和行为生理学,卷188,不。7,513 - 526年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
45. h . Bleckmann和r . Zelick侧线系统的鱼。”综合生态,4卷,不。1,这边是,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
46. s . r . Karumuri k . g . Sravani s . d . Sailaja j . v . Sekhar y斯,和r .保护好“Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS)技术,”应用科学研究的档案1卷,第314 - 307页,2012年。视图:谷歌学术搜索
47. j .邹j . Chen和c·刘”,塑性变形磁组装(PDMA”传感器的01 Eurosensors十五:第11届国际会议上固态传感器和致动器6月10 - 14,2001年慕尼黑,德国施普林格,页1554 - 1557年,柏林,德国,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
48. 组织者f . Rizzi, a . Qualtieri t . Dattoma g . Epifani和m·德维托里奥“仿生学的水下毛细胞传感,”微电子工程卷,132年,第97 - 90页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
49. s . Peleshanko m·d·朱利安·m·Ornatska et al .,“Hydrogel-encapsulated microfabricated haircells模仿鱼吸盘神经丘,”先进材料,19卷,不。19日,2903 - 2909年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
50. a . t . Abdulsadda和x Tan“人工侧线系统结构使用IPMC传感器阵列,”国际期刊的智能和纳米材料,3卷,不。3、226 - 242年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
51. a . t . Abdulsadda f·张,x Tan“本地化的来源未知结构振幅使用IPMC传感器阵列,”学报学报智能结构和材料+无损评价和健康监测,卷7976,不。10日,页。2378 - 2384年,国际社会对于光学和光子学,波特兰,矿石,美国,2011年。视图:谷歌学术搜索
52. a . t . Abdulsadda和x谭”,一个移动的偶极子源定位水下使用人工侧线,”《生物灵感、仿生学和Bioreplication卷,8839学报学报2012年3月,圣地亚哥,加利福尼亚州,美国。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
53. g . Krijnen t . Lammerink r . Wiegerink和j·卡萨斯,“板球流量传感器阵列的启发,”《IEEE传感器会议,页539 - 546年,亚特兰大,乔治亚州,美国,2007年10月。视图:谷歌学术搜索
54. a . Dagamseh r . Wiegerink t Lammerink, g . Krijnen”成像偶极子流源使用人工侧线的仿生的头发流传感器,”《英国皇家学会界面,10卷,不。83年,第86 - 82页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
55. y, j . Chen j·恩格尔et al .,“遥远的碰水动力与人工侧线成像,”美国国家科学院院刊》上的美利坚合众国,卷103,不。50岁,18891 - 18895年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
56. 潘迪亚,y, d·l·琼斯et al。”多传感器处理算法对水下偶极子定位和跟踪使用人工段mems传感器,”EURASIP在信号处理的发展》杂志上文章ID 076593卷,2006年,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
57. b . p . Chagnaud c·布鲁克·m·h·霍夫曼和h . Bleckmann”测量流速和流向的时空分析流波动,”《神经科学杂志》上,28卷,不。17日,第4487 - 4479页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2016簋街上刘et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。