華中科技大學：研發自粘附壓力傳感器，用于水下目標探測

水下目標探測是海洋技術領域的一個重要課題，涵蓋科學研究（例如海洋生物學和環境監測）、工業（例如對采礦和油田開采作業進行水下監視）和軍事（例如威脅檢測）等多個場景。例如，通過監測特定水域中海洋生物發出的信號，可以對種群進行分類，識別外來物種，保護區域生態系統的平衡。然而，介質衰減、信號干擾以及不同的水域環境等影響使得非接觸水下目標探測面臨巨大的挑戰。

本研究制備了一種可用于水下目標探測的自粘附壓力傳感器，其由混合構型碳納米管陣列制備而成，包括陣列和非陣列兩個部分。由于陣列部分在壓力作用下致密的管間接觸，其可實現水下18 mPa的微弱壓力信號檢測，在18 mPa-178 mPa壓力探測范圍內保持99.82%的線性度。此外，非陣列部分表現出23.24 N/cm2的剪切粘附強度，使得傳感器可以在運行速度為10公里/小時的載體上保持穩定。結合人工神經網絡，該傳感器可以對不同的水下目標進行識別，為非接觸式壓力檢測和水下目標識別提供了新的可能。

水下目標探測可以分為主動探測（發射主動信號并接收反射信號）和被動探測（探測目標產生的信號）兩種。主動探測具有成像分辨率高、噪聲干擾低等優點，但該方法需要大功率信號源來發射信號，加重了供電系統的負擔，并且增加了暴露的風險。相對而言，被動探測更加隱蔽，功耗低且可大范圍鋪設，是一種理想的隱蔽式探測方案。然而，被動式水下非接觸式壓力探測的研究仍相對少見。

本研究成功制備了一種具有超低檢測下限的自粘附壓力傳感器，為水下目標的非接觸式遠距離探測提供了重要解決方案。其基于混合構型碳納米管制備而成，在有離子存在的液體環境中，碳納米管表面會吸附離子形成雙電層，在壓力作用下，碳納米管發生彎曲變形，管與管之間發生接觸，所吸附的離子發生遷移，產生電勢變化，從而實現目標的探測。

相較于單一構型的陣列碳納米管和非陣列碳納米管，混合構型碳納米管結合了陣列碳納米管在傳感性能方面和非陣列碳納米管在粘附方面的優勢。并且，由于混合構型碳納米管中非陣列部分的彈性模量低于陣列部分的彈性模量，在施加預壓力將自粘附壓力傳感器粘附在基底的過程中，非陣列部分先發生變形，與載體形成牢固的貼合。而陣列部分由于彈性模量較高，其在預壓力作用下仍然保持了高度的取向結構，為傳感器在壓力作用下致密的管間接觸提供了保障，從而獲得更高的壓力輸出響應。

結果分析

基于混合構型碳納米管制備的自粘附水下壓力傳感器的剪切粘附強度達到23.24 N/cm2,法向粘附強度達到5.05N/cm2，經過28天水下浸泡后，其粘附強度保持率仍然在80%以上，并且可以實現在石英、不銹鋼、亞克力、玻璃和銅基底上的粘附。

得益于混合構型碳納米管中陣列部分對于壓力的高靈敏響應，其可實現18 mPa-178 mPa范圍內微弱壓力信號的響應，在40m水深范圍內可保持性能穩定。結合其1-10Hz范圍內的頻率穩定性和在垂直方向的指向性，通過組建傳感器網絡，其可實現水下不同目標的識別和所在位置的判斷。

結合人工智能神經網絡，自粘附水下壓力傳感器可以實現對不同目標的識別。通過采集不同目標產生的信號，根據不同目標產生的信號在傳輸過程中頻率不會變化這一特點，依據其特征頻率的不同，自粘附水下壓力傳感器可以實現對不同目標的識別。

總之，本研究開發了一種自粘附水下壓力傳感器，實現了對水下目標的非接觸檢測。混合構型碳納米管的結構設計有效地解決了傳感和粘合功能之間的權衡，從而實現了安全的固定和18 mPa的超低檢測下限。此外，由于陣列部分高度的取向性，該傳感器表現出穩定的頻率響應和垂直方向的指向性。并且其剪切粘結強度為23.24 N/cm2，可承受高達1.67 L/S的水壓沖擊和10 km/h的高速運行試驗，在復雜的水下環境中表現出良好的穩定性。通過與人工神經網絡相結合，其還可實現對不同模擬水下目標的移動識別，為非接觸式、遠距離水下目標探測提供了新的可能。

來源：傳感器專家網