受鱼侧线功能启发的弹性体包覆水凝胶光导纤维用于水下超稳定传感

作     者：王成敏 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武培怡

授予年度：2020年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：鱼侧线 光学传感 光导纤维 弹性水凝胶 弹性体 

摘      要：水下环境极其复杂,特别是在黑暗和深海中,鱼类因此进化出了一套完美的侧线感知系统来感知多种水下刺激包括微小的水运动、水流、压力、声波以及一定程度上的温度变化。鱼侧线主要由浅表神经杆和管状神经杆组成。浅表神经杆表面有小孔,水流刺激会通过小孔传达到管状神经杆中的毛细胞(机械受体),产生兴奋。目前,人造侧线传感器可以探测水压、水流速度、水流方向等,但它们缺乏可拉伸性且制备相当复杂,很大程度限制了它们的应用范围,尤其是在新兴的可穿戴应用领域。本论文报道了一种以超薄聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体为包层,以高折射率的溴化锂(Li Br)渗透的聚丙烯酰胺水凝胶为芯层的弹性体包覆水凝胶光导纤维(ECHOF)。PDMS透明度高、无毒、无味、具有良好的化学稳定性和疏水性使得ECHOF芯层水凝胶避免于所有水下介质的干扰。同时,ECHOF芯层聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶杨氏模量低,使其可感知非常微小的外界刺激,如轻微按压(～100 m N)、手指轻微触摸(10 k Pa)等。此外,ECHOF几乎能模拟所有鱼侧线的水下感知功能(轻微水扰动、水流运动、水压升降、声波振动和水温变化),并具有极高的传感稳定性。ECHOF的高回弹特性使其很容易从各种运动、水压、超声波/可听到声波或者水流引起的微变形中恢复。此外,Small Angle X-ray Scattering(SAXS)和变温红外进一步从分子层面解释了ECHOF温度响应的现象本质为水凝胶分子链的团簇化现象,即聚合物链在加热时逐渐聚集为密实团簇,有效地增强了光散射,使得ECHOF对温度变化具有近乎线性的响应特性。本工作提出的用于稳定光学传感的弹性体包覆水凝胶光导纤维的制备策略为开发低成本、高灵敏的水流传感器开辟了一条新的方法和途径。具体研究内容如下:(1)PDMS空心管的制备:将PDMS溶液注入ABS管中,竖直悬挂1h后固化,用丙酮溶液溶解ABS管(牺牲模板),得到了超薄、透明的PDMS空心管。(2)弹性体包覆水凝胶光导纤维(ECHOF)的制备:使用二苯甲酮的乙酸乙酯溶液预处理PDMS空心管的内表面,聚丙烯酰胺水凝胶在紫外诱导聚合的同时以共价键的方式与PDMS界面交联,形成了以弹性体为包层、水凝胶为芯层的ECHOF。(3)ECHOF的力学性能:通过对ECHOF进行断裂拉伸和循环拉伸测试,发现ECHOF的杨氏模量与纯水凝胶(～486 k Pa)相接近,并具有出色的变形恢复能力。(4)ECHOF的光学传感:按压等形变传感测试表明,ECHOF可以感知非常微小的外界刺激,并可模拟几乎所有鱼侧线水下感知能力。