如果一臺(tái)水下機(jī)器人在渾濁的河口下潛，泥沙讓能見(jiàn)度降到半米以內(nèi)，螺旋槳攪起的湍流又把聲吶信號(hào)攪成一團(tuán)亂麻——它該如何感知周圍的世界？主流方案攝像頭和聲吶系統(tǒng)在這里會(huì)集體失靈。前者依賴光線，后者在水流噪聲中難以分辨微弱的回波。

近日，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汪延成教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系 Chengkuo Lee教授在《Advanced Materials》發(fā)表題為“AI-Enhanced Bionic Aquatic E-Skin Enables Precise Capture of Minimal Tactile Differences Toward Undisturbed Underwater Interaction”的研究成果：一種受鯊魚(yú)啟發(fā)的仿生水下電子皮膚。

它不僅能承受深水的巨大壓力，還能在湍急水流中分辨出僅0.8微米寬度的表面紋路——相當(dāng)于一根頭發(fā)絲直徑的五十分之一。

01.

為什么偏偏是觸覺(jué)

提起水下探測(cè)，你可能會(huì)想到聲吶掃描海底地形，或者水下攝像機(jī)拍攝珊瑚礁。但在水下機(jī)器人領(lǐng)域，觸覺(jué)幾乎長(zhǎng)期被邊緣化，它需要物理接觸，感知距離短，更要命的是，水流本身就是個(gè)巨大的噪聲源，足以把任何由表面微小差異引起的觸覺(jué)信號(hào)淹沒(méi)在流致干擾里。

然而，研究團(tuán)隊(duì)注意到了自然界中的一個(gè)現(xiàn)象。鯊魚(yú)在渾濁、昏暗的海洋中捕獵時(shí)，并不完全依賴視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)。它們身體兩側(cè)有一條被稱為“側(cè)線系統(tǒng)”的感知器官，能通過(guò)皮膚表面的鱗片，從復(fù)雜的水流背景中篩選出獵物游動(dòng)引起的微弱壓力波動(dòng)。即便在湍急的洋流中，鯊魚(yú)依然能精準(zhǔn)定位。

這給了研究者一個(gè)啟發(fā)。觸覺(jué)并非不行，而是沒(méi)有把它的潛力發(fā)揮到極致。問(wèn)題的核心，在于如何從強(qiáng)水動(dòng)力噪聲中“解耦”出真正由物體表面差異引發(fā)的微弱觸覺(jué)信號(hào)。

02.

如何讓機(jī)器人“摸”清世界

Saranga（指代水下電子皮膚，可稱為“仿生側(cè)線皮膚”）系統(tǒng)的解決方案，是一套“仿生機(jī)械濾波 + 深度學(xué)習(xí)特征融合”的。

首先，研究團(tuán)隊(duì)從鯊魚(yú)側(cè)線鱗片獲得靈感，在傳感器表面設(shè)計(jì)了一層仿生魚(yú)鱗陣列。每片“魚(yú)鱗”以45度角翹起，長(zhǎng)2毫米，厚度僅0.64毫米。當(dāng)水流沖擊時(shí)，柔軟的鱗片會(huì)彎曲變形，像一把把小傘，消耗掉部分水流動(dòng)能，同時(shí)將水流分流引導(dǎo)——大部分湍流從側(cè)面滑走，只有少量減弱后的水流到達(dá)傳感核心。這是一個(gè)純粹的物理降噪步驟。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很直觀，在每秒0.2米的水流中，沒(méi)有仿生鱗片的傳感器基線波動(dòng)高達(dá)±25毫伏；加上鱗片后，波動(dòng)降至±13毫伏，噪聲幾乎減半。即使在每秒0.5米的較強(qiáng)水流中，波動(dòng)也能控制在±20毫伏以內(nèi)。

水下電子皮膚的工作原理及抗擾性能

但這還不夠。深海的另一個(gè)殺手是高壓。傳統(tǒng)電子皮膚內(nèi)部常留有空氣間隙來(lái)保證靈敏度，但在幾十米水深下，這些空隙會(huì)被壓縮殆盡，兩層材料直接貼死，信號(hào)幾乎消失——40米水深時(shí)衰減高達(dá)97.2%。

研究團(tuán)隊(duì)的解決方案出人意料：用微小的彈性粉末顆粒代替空氣間隙。他們選用熱塑性聚氨酯粉末，粒徑僅0.15微米，填充在兩層摩擦電材料之間。這些粉末像無(wú)數(shù)個(gè)微型彈簧，既能維持穩(wěn)定的間隔距離，又能緩沖外部壓力。結(jié)果，在40米水深下，傳感器的輸出響應(yīng)僅衰減17.6%。相當(dāng)于給電子皮膚穿了一件“抗壓服”。

最后，傳感器表面還涂覆了一層高疏水性油膜。海水中的離子一旦滲入，會(huì)形成額外的電流泄漏路徑，嚴(yán)重干擾信號(hào)。油膜像一層隱形雨衣，把水分子牢牢擋在外面。經(jīng)過(guò)120天海水浸泡和5000次反復(fù)按壓，傳感器性能幾乎紋絲不動(dòng)。

AI增強(qiáng)型水下電子皮膚的綜合表面紋理識(shí)別

物理降噪解決了水流和壓力問(wèn)題，但真正讓這層皮膚“智能”起來(lái)的，是深度學(xué)習(xí)。

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于特征融合的深度學(xué)習(xí)模型，這個(gè)模型的并行分析兩種信息：一是時(shí)域特征——電壓信號(hào)隨時(shí)間的變化，反映按壓力度和靜水壓力造成的幅度偏差；二是頻域特征——將信號(hào)分解成不同頻率成分，這可以消除滑動(dòng)速度和動(dòng)態(tài)水流帶來(lái)的干擾。

兩種視角互補(bǔ)，大大提升了對(duì)微小差異的分辨能力。在靜態(tài)水下，帶有仿生鱗片的電子皮膚識(shí)別五種不同紋理的平均準(zhǔn)確率高達(dá)98%。當(dāng)水流開(kāi)啟，準(zhǔn)確率依然保持在94.67%。而沒(méi)有仿生鱗片的對(duì)照設(shè)備，靜態(tài)水下只有74.67%，水流中更是跌至62%。

03.

從實(shí)驗(yàn)室走向海洋

研究團(tuán)隊(duì)展示了兩個(gè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，讓這層“皮膚”從概念走向真實(shí)任務(wù)。

場(chǎng)景一：機(jī)器人手指識(shí)別海洋生物

將電子皮膚貼在機(jī)器人手指尖上，讓它在模擬海水中識(shí)別九種海洋生物和物體：魷魚(yú)、海綿、鯧魚(yú)、蝦、海參、螃蟹、海螺、石頭和珊瑚。這些物體的硬度和表面形貌差異很大。硬質(zhì)物體（如石頭）會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈、不穩(wěn)定的力波動(dòng)；軟質(zhì)物體（如海參）表面突起在按壓下會(huì)彎曲，將連續(xù)的接觸過(guò)程打散成一連串離散的微小碰撞。

基于特征融合深度學(xué)習(xí)，機(jī)器人手指達(dá)到了98.67%的平均識(shí)別準(zhǔn)確率。這意味著，未來(lái)水下機(jī)器人可以在能見(jiàn)度為零的環(huán)境中，僅靠觸摸就能區(qū)分一塊石頭和一只海參——這對(duì)于海底采樣、考古或生態(tài)監(jiān)測(cè)意義重大。

AI增強(qiáng)型水下電子皮膚在不同場(chǎng)景下的觸覺(jué)感知應(yīng)用

場(chǎng)景二：機(jī)器魚(yú)尾巴感知游泳狀態(tài)

更有想象力的是把電子皮膚貼在機(jī)器魚(yú)的尾部。這里沒(méi)有固-固滑動(dòng)摩擦，傳感器感知的是魚(yú)尾拍打時(shí)反作用的水動(dòng)力以及結(jié)構(gòu)自身的微振動(dòng)。信號(hào)幅度反映擺尾力度，頻率特征則編碼尾部擊水的節(jié)奏。

研究人員區(qū)分了靜止、抖動(dòng)、撞擊、快速游動(dòng)和慢速游動(dòng)五種狀態(tài)，深度學(xué)習(xí)平均準(zhǔn)確率達(dá)到90%。主要混淆發(fā)生在快游與慢游之間——這兩種狀態(tài)的信號(hào)差異確實(shí)很小，但已經(jīng)足夠?qū)嵱谩?/p>

基于這一能力，團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的構(gòu)想。每條魚(yú)的尾部電子皮膚將行為狀態(tài)上傳至中央系統(tǒng)，匯聚成魚(yú)群活動(dòng)指數(shù)。如果指數(shù)在短時(shí)間內(nèi)顯著升高，說(shuō)明魚(yú)群處于覓食性快游狀態(tài)，系統(tǒng)判定饑餓，自動(dòng)觸發(fā)投喂裝置。如果整體活動(dòng)指數(shù)下降，同時(shí)伴隨大量不規(guī)則抖動(dòng)或撞擊行為，則推斷為水中溶解氧過(guò)低，啟動(dòng)增氧器。

這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)投喂和按需增氧，避免了傳統(tǒng)養(yǎng)殖中定時(shí)定量投喂造成的飼料浪費(fèi)和水質(zhì)污染。相比依賴光學(xué)攝像頭的水產(chǎn)監(jiān)測(cè)方案，觸覺(jué)方案不受水體渾濁度影響，且不需要對(duì)魚(yú)類進(jìn)行標(biāo)記或訓(xùn)練。

04.

結(jié)語(yǔ)

這項(xiàng)技術(shù)的意義不僅在于“做了一款更好的傳感器”。它首次證明，在動(dòng)態(tài)水流和高靜水壓的惡劣環(huán)境中，觸覺(jué)感知可以成為可靠的水下探測(cè)通道。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步將單像素電子皮膚拓展為稀疏陣列和多手指協(xié)同系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空觸覺(jué)成像——讓機(jī)器人不僅能“摸”到物體，還能“感知”出形狀和輪廓。同時(shí)，抗生物污損涂層和自修復(fù)防水技術(shù)也在研發(fā)中，以應(yīng)對(duì)海洋中長(zhǎng)期浸泡的挑戰(zhàn)。