Biomimetic Seal Whisker Sensors for High-Sensitivity Wake Detection and Localization

胡须 灵敏度(控制系统) 应变计 材料科学 声学 计算机科学 电子工程 工程类 电气工程 物理 冶金
作者
Biao Geng,Qian Xue,Zhiheng Xu,Jiang Wang,Jonathan Sullo,Cadence Brunecz,Jessica K. Shang,Xudong Zheng
出处
期刊:Bioinspiration & Biomimetics [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1748-3190/adcddf
摘要

Abstract Pinnipeds, with highly sensitive whiskers, can detect instantaneous spatial hydrodynamic disturbances, crucial for tracking wakes and their sources. However, no existing engineering solution replica tes this for intelligent passive flow perception. To bridge this gap, we propose a low -cost, whisker-inspired sensor designed for use in arrays for underwater sensing and tracking. The sensor integrates metal foil strain gages within a polydimethylsiloxane (PDMS) soft base, coupled with a 3D-printed biomimetic seal whisker model. It exhibits low self-noise in undisturbed flow and high sensitivity in wake detection, identifying flow speeds as low as 0.5 mm/s—comparable to biological whiskers (~0.25 mm/s). The dual strain gage design, placed on adjacent perpendicular sides, allows precise measurement of whisker bending amplitude and direction. The sensor shows excellent linearity, repeatability, fatigue life, short response time and superior dynamic performance in the low-frequency range (≤35 Hz). Despite its high performance, it is cost-effective and easy to fabricate, requiring no specialized facilities or extensive training, making it ideal for large-scale array deployment. To demonstrate its potential, we t ested a nine-sensor array capable of predicting dipole source locations using an artificial neural network model. This work demonstrates the feasibility of whisker-inspired sensing for robust spatial flow perception in underwater environments.

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