- 《答聂文蔚》 [2017/04]
- 爱国者的喜讯，干吃福利的绿卡族回国希望大增 [2017/01]
- 奥巴马致女友：我每天都和男人做爱 [2023/11]
- 周五落轨的真的是个华女 [2017/03]
- 法拉盛的“鸡街”刚刚又闹出人命 [2017/11]
- 现场! 全副武装的警察突入燕郊 [2017/12]
- 大部分人品太差了--- 中国公园里的“黄昏恋” [2019/12]
- 年三十工作／小媳妇好吗 ／土拨鼠真屌／美华素质高? [2019/02]
- 亚裔男孩再让美国疯狂 [2018/09]
- 看这些入籍美加的中国人在这里的丑态百出下场可期 [2019/11]
- 黑暗时代的明灯 [2017/01]
- 看看谁给华涌女儿过生日了？ [2017/12]
- 智利中國留學生攻擊支持香港遊行的臺灣炸雞店 [2019/08]
- 当今的美国是不是还从根本上支持中国的民主运动？ [2017/10]
- 文革宣传画名作选之 “群丑图” 都画了谁？ [2024/01]
- 香港的抗争再次告诉世人 [2019/06]
- 国民劣根性背后----为什么中国人这么坏！ [2023/10]
- Why Xi Jinping’s (Airbrushed) Face Is Plastered All Over China [2017/11]
- 中国女欢呼日本地震 欧洲老公惊呆上网反思 [2024/01]
- 加入外国籍，你还是不是中国人？谈多数华人的愚昧和少数华人的觉醒 [2018/02]
- 周末逛法拉盛，还是坐地铁？ [2017/10]
- 春蚕到死丝方断， 丹心未酬血已干 [2017/03]
- 1919年的两本书之：凯恩斯如何预见德国的崛起和后果 [2019/12]
美国海军目前正在开发一种先进的新型水下传感器系统，旨在复制自然界最独特的水生哺乳动物之一的能力和探测范围。
据报道，罗彻斯特理工学院（RIT）的研究人员目前正在海军研究实验室的资助下开发这种创新的传感器阵列，旨在复制斑海豹(harbor seals)所拥有的“卓越的设计和检测范围”。
斑海豹栖息在北大西洋和北太平洋的海域，以其游泳能力和水中狩猎能力而闻名。 现在，罗切斯特理工学院凯特格里森工程学院副教授郑旭东表示，这些海洋哺乳动物拥有的独特能力也为海军开发新型传感器阵列提供了灵感，该阵列将具有“生物水平的灵敏度， 准确性和智能性。”
美国海军表示，这种先进的水下传感器系统除了有助于对海洋进行科学探索和提高其在海上隐形行动中使用的机器人能力之外，还可用于跟踪异常情况。
郑表示，他和他的团队正在构建的新系统将是“开发更强大传感器的下一阶段”，并补充说，早期结果已经表明，它可以帮助促进新功能，从而有助于实现“更智能的感知和更好的推理” 信号模式及其与流量模式的对应关系。”
此外，郑和他的团队表示，他们希望改进海军水下传感器收集物体三维信息的方式，从而实现更好、更一致的识别。 该团队还计划利用人工智能，进一步增强传感器系统在各种海洋环境中运行时的功能。
上图：郑（中）与他的妻子、研究员同事薛倩（右）和研究员刘东方一起出现，他展示了斑海豹的胡须，这激发了团队的研究（图片来源：Travis Lacoss/RIT）。
为了实现这一目标，郑的团队从自然界现有的最好的水下传感器系统之一中汲取了灵感。
郑在一份声明中说：“我们正在尝试利用海豹胡须阵列的仿生形状来模仿海豹的高灵敏度传感器。”他补充说，这些海洋哺乳动物能够以每秒 254 微米的惊人速度检测附近的干扰。 。 这在一定程度上是由于它们胡须的长度和位置，使得这些生物能够以惊人的速度和准确性来测量速度、距离、移动和位置等一切。
尽管郑的团队并不是第一批从海豹胡须中汲取灵感的研究人员，但按照类似原理工作的现有系统只能提供单独的测量结果。 通过模仿斑海豹的自然传感器能力，郑的团队希望他们将这些检测机制整合到一个改变游戏规则的水下传感器阵列中。
目前只能进行单一测量的传感器在空间信息的检测方面受到很大限制，空间信息涉及从多个角度对物体进行可视化并提供有关物体与周围环境的关系的信息。
郑表示，综合空间识别与人工智能的集成将是他和他的团队正在设计的新系统能够整体提高传感器精度的两个主要关键。
这项新工作是郑过去工作的成果，其中涉及凯特格里森学院机械工程系的生物力学和流动物理学研究。
在他的妻子和研究伙伴、罗彻斯特理工学院机械工程系副教授、流-结构相互作用专家薛倩的帮助下，两人表示，他们正在“设计非常灵敏的传感器，可以紧密地装入较小的空间，并且 可以提取空间信息”，这使得传感器能够“通过算法识别周围环境，从而准确预测物体的形状。”
郑在一份声明中说：“根据这些信息，我们可以理解为什么这个信号对应于某些类型的身体或物体。”他补充说，他们的设计将实施 RIT 正在采用的其他技术，以帮助广泛提高识别能力和准确性。 他们正在开发的新传感器。
郑和团队目前的研究结果概述在最新一期的《机器人与人工智能前沿》杂志上。
从海豹胡须中汲取灵感
海豹晶须启发海洋技术
通过观察自然，仿生工程师设计出新型传感器
一只夏威夷僧海豹在帕帕哈瑙莫夸基亚海洋国家保护区内游泳。 海豹的胡须原来是非常灵敏精致的设计，可以帮助海豹追踪猎物。 （美国国家海洋和大气管理局）A Hawaiian monk seal swims in the Papahanaumokuakea Marine National Monument. Seal whiskers turn out to be remarkably engineered to help seal track prey. (NOAA)
作者：希瑟·比姆
夜色很快就临近了。 斑海豹跳入水中，随着阳光的退去，潜入更深的地方。 她在黑暗浑浊的水中寻找鱼。 突然，她右脸颊上的胡须开始颤动。 她走了。
希瑟·比姆 (Heather Beem) 正在仔细研究海豹胡须，以获取设计新海底技术的见解。 （新英格兰水族馆；插图：Heather Beem，伍兹霍尔海洋研究所）
和许多其他动物一样，海豹可以用胡须触摸物体来确定物体的大小、形状和距离。 但我们的海豹去抓的鱼却没有碰到她的胡须。
海豹是否也可以用胡须“感觉”周围的水流来追踪游过的鱼？ 2000年代初，德国罗斯托克大学的海洋生物学家开始探索这一理论。 他们进行了实验，将眼罩和耳罩放在密封件上。 尽管如此，这种动物不仅能够探测到移动物体的存在，而且还能在任何可见的踪迹消失后长时间追踪它们。 研究人员越来越清楚地认识到，海豹具有一种不可思议的能力，即使是水中最微弱的信号也能描绘出黑暗、水汪汪的环境。
这一发现引起了大西洋彼岸麻省理工学院拖曳水箱实验室研究小组的工程师们的兴趣。 我们能否从海豹身上学到一些技巧来克服在设计具有更好导航和传感能力的水下航行器时面临的挑战？
德国罗斯托克大学海洋科学中心的科学家在实验中使用耳罩和眼罩，结果表明海豹利用胡须检测水流模式来追踪鱼类。 （罗斯托克大学海洋科学中心）
流体动力学和仿生学
海上结构中圆柱形立管腿和电缆周围流动的水流造成了工程困境，因为它们会引起振动，从而导致结构疲劳。 对其他圆柱形水下结构（海豹须）的仔细研究可以为工程师提供见解。（杰克·库克和埃里克·S·泰勒/伍兹霍尔海洋研究所图形服务绘制的插图）
当罗斯托克海豹生物学家的工作消息传到我们的研究小组时，它激发了我们对我们正在追求的两条主要研究线索的新思考。 第一个涉及大型海上结构（例如石油钻井平台）的振动。 这些结构周围的电流稳定流动会引起显着的、长时间的振动，从而导致结构疲劳。 在过去的三十年里，我的博士学位。 顾问 Michael Triantafyllou 教授领导的研究揭示了海上结构中的立管腿和电缆周围流动的基本物理原理，更根本的是圆柱体周围的流动。
麻省理工学院的研究人员是海洋仿生学的先驱：利用自然界中观察到的特征来设计新技术。 一个例子是 RoboTuna，这是一种水下航行器，它利用了在鱼类中观察到的高效游泳运动。 （奥林机器人实验室）
我们的团队还开创了海洋仿生学领域：利用自然界中观察到的特征来设计新海洋技术的科学。 一个例子是 RoboTuna，这是我们实验室开发的一种水下航行器，它利用了在高效游动的鱼类中观察到的运动。 这项研究不仅使我们能够设计改进的水下推进系统，还使我们能够揭示鱼类游泳的一些基本物理原理，而这些是我们仅通过观察无法获得的。
我们抓住了这个机会，将我们对振动和仿生设计的兴趣结合起来，并对海豹晶须进行研究。 我们有两个目标：第一个是揭示圆柱形结构（海豹的胡须）周围流体流动的基本物理原理如何使它们能够感知周围的环境。 第二个是利用我们的发现来设计一项新技术：可以跟踪逐渐消失的流体动力学轨迹的流量传感器。
安装在自主水下航行器（AUV）上的这种传感器将提高航行器的导航能力。 车辆可以使用另一个传感器来“感觉”移动物体，而不是像现在那样仅依靠反射的声波（像蝙蝠一样聆听来计算其位置并检测物体）。
为什么要关注自然？
海洋学工程师希瑟·比姆 (Heather Beem) 从小就对自然世界产生了兴趣，当时她陪伴水生生物学家父亲到野外采集水样。 （希瑟·比姆提供）
我的父亲是一名水生生物学家，当我还小的时候，他带着我和兄弟姐妹在溪流中跋涉，采集水样进行测试。 我很高兴能被自然世界包围，所有的感官都增强了。 新鲜的空气、双腿周围清凉的水流以及粘糊糊的岩石都表明那里有无数未知的事物有待发现。
随着时间的推移，我开始了解自然界中发生的许多事情，这些事情乍一看似乎是不可能的：例如，一种名为墨西哥四目鱼的盲鱼，它可以以某种方式穿过洞穴，或者可以穿越数千英里的海龟 穿越公海，精确地到达它们的筑巢地点。
现在，我工作的核心就是在父亲翻开的岩石下面寻找新生物的好奇心。 它迫使我去发现工程师可以学习的自然界现象，例如海豹进化来定位鱼在水中留下的“足迹”的机制。
鱼鳍的每一次挥动都会使水形成一个称为漩涡的漩涡，在鱼离开后会持续数秒。 海豹能用胡须感知这些轨迹令人惊讶，因为正如我们的研究小组所熟知的那样，像胡须这样的圆柱形物体应该在流水中自然振动。 那么，如果游泳的海豹的胡须已经自己振动得很厉害，它们怎么可能注意到鱼迹引起的胡须振动呢？
海豹用胡须“感觉”并追踪鱼的“足迹”。 （希瑟·比姆和埃里克·S·泰勒/伍兹霍尔海洋研究所图形服务绘制的插图）
振动和涡流
流体通常不会在圆柱形物体周围顺利流动。 相反，水流脱离物体形成漩涡，类似于鱼产生的漩涡。 每个漩涡都在快速旋转。 根据伯努利方程（这也有助于解释飞机如何保持在高空），每个涡流都是一个低压或吸力区域。
（埃里克·S·泰勒/伍兹霍尔海洋研究所图形服务绘制的插图）
当涡流远离物体时，它本质上会将物体拉向它，并且持续拉动，直到涡旋旋转得足够远。 由于涡流以交替的方式从圆柱体的两侧剥离，因此它们在圆柱体的两侧施加吸力。 因此，当水流过圆柱体时，圆柱体会前后或上下振动（取决于圆柱体是垂直还是水平方向）。 当振幅与物体本身的直径一样高时，就会发生这种情况。
出于同样的原因，您的汽车收音机天线可能会在您驾驶时晃动，而海上平台甚至会在最轻微的洋流中摇摆。 理论上，海豹游泳时胡须也会振动。
斑海豹胡须侧面和顶部的特写显示，它们不是圆形的，而是波浪形和椭圆形的。 （Hanke 等人，《实验生物学杂志》，2010 年）
为了探索这个问题，罗斯托克的生物学家在其中一只斑海豹的头上安装了一台相机。 他们近距离观察了胡须，并做出了一个关键观察：当海豹向前游动时，动物的胡须似乎没有像大多数圆柱形物体那样振动。 科学家们推测，这与海豹胡须的不寻常形状有关。 从它们的尖端看，它们不是圆形的，而是椭圆形的。 而且胡须的侧边不是直的，而是波浪形的。
人造胡须
Heather Beem 使用立体光刻技术制作了斑海豹胡须的塑料复制品，其形状精确，但比真实胡须大 50 倍。 （希瑟·比姆，WHOI）
我对他们的观察很感兴趣，开始自己进行实验。 我制作了一个斑海豹胡须的中空塑料复制品，其形状精确，但比真正的胡须大 50 倍。 我们使用了一种称为立体光刻的工艺，该工艺采用计算机控制的激光在液体聚合物上绘制晶须的三维形状。 聚合物在与激光接触时硬化。
放大的晶须使得在实验中更容易测量它的振动方式。 我将胡须模型浸入两米长的水箱中。 它安装在一组经过编程的电机上，以恒定的速度沿着坦克的长度牵引它并施加各种振动。 附着在胡须上的传感器测量它感受到的力。 一些测量计算证实，晶须独特的形状确实使其能够避免圆柱体所经历的自然振动。
在一个测试池中，希瑟·比姆拖着她的大型海豹胡须复制品。 为了可视化周围形成的漩涡，她添加了微小的塑料颗粒，这些颗粒随着流体流动而传输。 激光照射粒子，相机捕捉它们形成的图案。 （希瑟·比姆，WHOI）
我还使用了一种称为粒子图像测速的技术来可视化晶须后面形成的漩涡。 我们添加了随流体流动而传输的微小颗粒（微米大小的塑料球）。 激光照射粒子，相机捕捉它们形成的图案，使我们能够绘制流体动力学图。
图像显示，晶须的反应与圆柱体的反应截然不同。 它不是以交替的方式从顶部和底部释放出大而连贯的漩涡，而是在其后面释放出混乱的漩涡。 结果，涡流对晶须施加的整体吸力要弱得多，导致晶须振动较小。
不同形状背后的二维流动的再现表明，光滑的椭圆柱体（顶部）会产生大的连贯涡流，从而导致大的振动。 轮廓晶须形状（底部），例如海豹晶须，也会产生涡流，但它们的连贯性较差，导致的振动较小。 （希瑟·比姆，WHOI）
设计仿生传感器
希瑟·比姆（Heather Beem）实验中的设置代表了胡须沿着鱼踪迹时所经历的情况。 晶须传感器上游的大圆柱体会产生类似于鱼尾迹的涡流流体动力轨迹。 滴入水箱的红色染料使“鱼”后面的漩涡着色，相机捕捉到了这些图案。 应变计测量传感器被拖到气缸后面时的振动。 （插图由 WHOI Graphics Services 的 Heather Beam 和 Eric S. Taylor 绘制）
大自然似乎已经改进了海豹须的形状，以避免几十年来困扰海上工程师的振动。 也许将波浪形的“晶须状”形式纳入立管腿的设计中可以减少结构疲劳。 我们假设，因为海豹游泳时胡须不会振动，所以当它遇到猎物身后尾流造成的水流扰动时，它就会开始振动。 有了这个假设，我开始设计一种受胡须启发的传感器来测试它如何响应流体动力学轨迹。
首先，我设计了一种装置，它结合了胡须独特的几何形状，并允许“胡须”在其附着的底部自由移动，就像在海豹的脸颊上一样。 然后我设计了一个设置，简单地代表了胡须在跟随鱼踪迹时所经历的情况。 我在胡须的上游放置了一个大圆柱体，以产生在某些方面类似于鱼尾流的水动力轨迹。 红色染料滴入水箱中，为“鱼”后面的漩涡着色。 通过应变计，我可以测量胡须被拖在鱼后面时的振动。
实验结果表明，当胡须遇到涡流时，它会振动，上下移动，完美地在迎面而来的涡流的上方、下方和之间，就像一个回转滑雪者一样。 根据胡须振动的程度和速度，海豹或许能够估计漩涡来源的方向和大小。 （插图由 WHOI Graphics Services 的 Heather Beam 和 Eric S. Taylor 绘制）
测量结果表明，当晶须遇到尾流时，它很快就开始大幅振动。 它上下移动，完美地在迎面而来的红色漩涡的上方、下方和之间，就像一个回转的滑雪者。 鱼在涡流中游动时也观察到类似的运动。 我们知道，这种“回转”允许下游物体从尾流中提取能量。 就海豹而言，这意味着它的胡须在出现涡流时会强烈振动。 根据胡须振动的程度和速度，海豹不仅可以检测到此类尾流，还可以估计尾流的来源有多大。
完善这种胡须传感器还有很多工作要做，但 AUV 具有通过感觉和声音评估周围环境的潜力。 有一天，渔民也许能够利用它——不仅可以检测船下是否有鱼，还可以追踪鱼游过的踪迹。 科学家们也许能够通过感知从热液喷口流出的液体产生的遥远涟漪来寻找海底的热液喷口。
饥饿的海豹会时刻准备着胡须，寻找寻找食物的微小线索。 我将继续翻动岩石，从大自然中寻找其他有用的教训，等待被发现。
这款原型流量传感器由 Heather Beem 设计，采用了海豹晶须的几何形状。 传感器作为其底座可以自由移动，就像海豹脸颊上的胡须一样。 （希瑟·比姆，WHOI）