子非鱼，安知鱼之乐”——从鱼的视角“看”世界

庄子与惠子的“子非鱼，安知鱼之乐？”“子非我，安知我不知鱼之乐？”相争持续了两千年，那么“鱼之乐”是怎么样的呢？鱼又是怎样“看世界”的呢？

原来鱼具有特殊的皮肤感受器——侧线，主要分布在头部的眼眶上下部还有鱼体两侧（图1 a），由鳞片上的孔结构、充满粘液的侧线管以及感觉器神经丘组成。当鱼在水中下潜或者水流速度发生变化时，水压能够通过侧线管上方鱼鳞片的孔洞结构传递到侧线管中的粘液（图1 b），并进一步通过浸润在粘液中的神经丘（图1 c）传递到神经中枢。这样，鱼就能“看”到周围水深还有水流速度。

图1.a)鱼侧线的主要位置（图片来源于网络）；b)鱼侧线感知机理图；c）侧线管内神经元结构示意图

随着对水下世界的探索，基于柔性传感材料的水下传感器被广泛研究。然而，水环境对传感器传感性能的负面影响仍然存在，且基于柔性传感材料的水下传感器的水下深度探测范围有限。因此，设计一种具有柔性、环境稳定性、水下宽范围深度检测与振动感知能力的传感器具有重要意义。

受鱼侧线传感器启发，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队设计了一种结构与机理都与侧线传感器相似的水下传感器（LUMS），帮助我们探索水下深度、感知水下环境。该传感器由石墨烯/Ecoflex复合薄膜、PET塑料模具、电极及导线四部分构成（图2），总高度为27 mm，最大直径为56 mm，单个传感器成本不超过5元。

图2. 仿鱼侧线水下机械传感器实物照片

传感器中的自支撑薄膜部分通过模型中的孔洞暴露在水环境中，水压透过孔洞作用于传感薄膜。这时，薄膜在水压和空气腔中的气压共同作用下快速变形到平衡状态（图3 a），同时传感器中的石墨烯充当神经元将水压变化传递到神经中枢（电信号显示器）。在不同的深度下，薄膜的形变程度不同（图3 b），因此传感器能够实现水下深度探测。通过调控自支撑薄膜的直径，仿鱼侧线水下传感器可以实现1.8 m深的水下探测范围，远远大于其他柔性传感器水下深度探测范围。

图3. a）仿鱼侧线水下传感器感知不同深度机理图；b）自支撑薄膜直径为10 mm的仿鱼侧线水下传感器在不同水下深度的形变照片

在生活中，我们稍加留意就会发现，鱼在“看”到岸边的人跺脚时会受到惊吓般游走，鱼群在石头投入池塘中时也会快速散去，稍微感受到一点风吹草动就会逃走，在侦察敌情这上面小鱼们可是满分选手。

在实验中，仿鱼侧线水下传感器也展现出了超高的警惕性。当在液面上方施加不同速度的模拟风时，LUMS可以快速感知风引起的液面波动。如图4 a所示，3.4 m/s和4.2 m/s风速引起的相对电阻变化显示出明显差异。除不同风速外，LUMS还能够有效地识别分别从液面上方20 cm、40 cm及60 cm处落下的水滴（图4 b）。我们系统地模拟了下雨场景，图4 c表明LUMS可以定期响应不同强度的模拟降雨，包括60 mL/min、144 mL/min和490 mL/min。更有趣的是，LUMS还能够感知到鱼钩掉落水中（图4 d），并检测到一些自然落下的物体，如树叶、树枝和石头（图4 e）。这些物体落入水中会引起液面发生微小或剧烈的振动/波动，使LUMS中薄膜承受的水压相应改变，最终被传感器识别。此外，我们操纵摆动尾巴的机器人鲨鱼在传感器周围移动，LUMS有效地监测到小振幅或大振幅的鲨鱼尾巴摆动状态（图4 f）。

图4. 仿鱼侧线水下机械传感器感知液面上a）刮风、b）水滴下落、c）下雨、d）鱼钩入水、e）树叶等落入水中；f）水下传感器感知水下鱼不同摆动幅度

总的来说，这种结构简单、灵敏度高、低成本的水下传感器能够较为精准地检测大范围水下深度，灵敏地监测液面波动，也能够实时感应液面下方的潜在威胁（大鱼经过传感器），有望在水下监测、水下通信以及水下预警等领域发挥重要作用。

来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所