华中科技大学黄永安团队：用于多功能飞行感知的仿生、智能、柔性传感皮肤
飞行感知广泛用于飞行器、高速车辆、竞技运动、建筑等领域的几何形状优化、气动载荷或升曳系数的计算、飞行状态的预测以及流场结构状态监测。含自由曲面物体周围的气流通常是复杂而不明确的，亟需开发多功能飞行感知能力系统，而关键在于将大量的具有不同传感功能的传感器整合到一个三维曲面上，以赋予复合材料和结构强大的能力：(i)感知外部气流(风压、壁面剪切应力、表面温度等)、(ii)监测结构内部状态(应变、冲击、损伤等)、(iii)解释流动现象(空分、层流-湍流转换等)、(iv)预测飞行状态(失速、颤振等)。这样的多功能飞行感知将扩展飞行器多方面的能力，包括性能改进、自动飞行、适应性、多任务和全生命周期监控。
目前，测量气动参数最常用的是微块或微芯片传感器方法和智能涂层方法。前者是刺入性的，每一个测量点都需要在物体上开一个小的孔/凹槽。如表面压力测量是用细长管把这些小孔连接到压力扫描仪上，其中的压力传感器可以依次收集风压。微块传感器也可以直接嵌入孔中，与模型表面齐平，如用于表面压力的Kulite压阻式传感器、用于冲击的PCB压电传感器、用于壁面剪切应力的梳状电容以及热电偶/热敏电阻温度传感器。另，对于研究流动特性至关重要的空间分布测量需要大量的孔，很耗时且对器件具有破坏性，几乎不可能在薄的边缘(如翼尖)开孔，沉重的电线或管道也极大阻碍了传感器的大规模和多功能集成。另一方面，模型表面喷涂发光材料或油的涂层法，可直接进行连续空间测量，如用于壁面剪切应力测量的压敏漆(PSP)、温敏漆(TSP)及油膜干涉。CCD相机是获取测量数据必不可少的，但难以避免测量盲点，且强烈依赖于环境温度和照明条件。该方法仅用于风洞试验，不适用于真正的飞行。因此，迫切需要开发解决上述问题的新方法。
柔性传感器的开发为风洞试验和飞行监控的曲面气动测量开辟了新的途径。由于超高灵活性和超薄厚度，传感器很容易以非破坏性、分散且省时的方式安装在曲面。可准确识别正负压的柔性风压传感器已被开发，并在风洞试验中得到验证。热膜传感器是由非常细的金属镍丝或单壁碳纳米管热敏电阻制成的，用于壁面剪切应力的测量，并进一步确定流动的分离与转变。然而，上述传感体系仅用于局部、小区域测量。目前已制备出基于蛇形岛状互连结构的压电传感器网络，其测量面积可扩展到其原始面积的2500%，经主动和被动导波法验证可有效监测损害和冲击。集合传感器网络的智能航空结构能够探测空中飞行器的结构健康状态，将低密度集成微型传感器的传感器网络嵌入到复合材料内部可感知结构状态，但不能用于气流传感，如计算升力和阻力、检测气流分离和失速等。因此，开发一种既能感知外部气流又能监测内部结构健康状态的多功能电子皮肤是一项极具挑战性的工作。
受生物系统强大感知能力(皮肤中的各种感觉受体、神经通路、免疫系统和大脑)启发，华中科技大学黄永安团队首次开发了智能柔性传感(iFlexSense)皮肤，并验证了其在气流传感及全覆盖、曲面的结构健康监测等方面的有效性。iFlexSense皮肤包含：用于捕获周围气流中的各种刺激的类-皮肤机械感知系统、用于监测突然撞击的免疫探测器、用于高保真数据传输的类-神经编码系统、用于分析判断数据的类-脑机器学习算法。在NACA 0012标准机翼上进行一系列不同风速和攻击角度(AOA)条件下的风洞实验和冲击定位测试，通过多传感器数据融合方法验证了其在测量实时变化且空间各处不同的气流参数(风压、颤振、壁面剪切应力、温度)、探测结构冲击、解释流动现象(空分)和预测飞行状态(失速、颤振)等方面的能力。相关研究成果发表在Nano Energy期刊，题目为“Bio-Inspired, Intelligent Flexible Sensing Skin for Multifunctional Flying Perception”。
华中科技大学黄永安团队通过模仿飞行生物的多功能飞行感知能力(皮肤、神经通路、免疫系统和大脑中的各种感觉受体)开发出仿生iFlexSense皮肤。这是首次实现同一种材料外部气流传感（电子皮肤）、内部结构健康监测（冲击监测）、原位数据编码（ADC芯片）、数据分析系统（人工智能方法）的多功能集合，适用于复杂曲面的气流环境。系统中所有柔性传感器都经全新的设计和制作，包括用于风压的电容式传感器，用于壁面剪切应力的金属镍基热膜传感器，用于表面温度和结构应变的电阻式温度应变传感器，用于耦合气流-结构动力学的压电传感器以及用于冲击定位的阵列网络。iFlexSense皮肤赋予弯曲物体感知不同气流参数、识别冲击、解释流动现象(空分)、评估和预测飞行状态(失速、颤振)等能力。不同传感器可以从不同方面对周围环境做出响应，以反映气流特性。标准机翼模型下的一系列的风洞试验和冲击定位测试证明了iFlexSense皮肤前所未有的感知能力。团队所得的风压传感器与商业化传感器在所有条件下均表现出高度一致性。协同利用来源于不同传感器气动数据进行相互验证，可精准预测在高攻角下大规模气流分离导致的失速和结构颤振。
与常用的微块或微芯片传感器或小区域柔性传感器的每个测量点均要开孔的方式相比，iFlexSense皮肤是以非破坏性的方式简单直接地贴附于曲面表面上，并与自制采集系统紧密结合以用于大规模、多参数的测量和监控。更重要的是，多传感器数据融合方法有助于精准、可靠评估或预测流动特性，比如失速、流动分离、颤振等。该iFlexSense皮肤技术将会带来飞行感知的变革，尤其是与智能复合结构相结合，为多领域的应用提供了巨大可能，如:未来变形飞行器、“Fly-by-Feel”无人机、高速测量以及水下探测器等。
图1. 人工和生物感知飞行的躯体感觉系统示意图。飞行生物的天然皮肤提供了感知外部气流和监测身体健康状况的能力。广泛分布在皮肤中的不同受体可收到多种刺激信号，如温度、剪切、压力、应变和颤振。身体受损马上能被发现。受体电位通过带有编码信息的神经通路转化为动作电位(尖刺)。躯体感觉皮层通过整合来自多个神经元的动作电位来处理多种信息。相似地，具有相应感知能力的不同柔性传感器和ADC芯片集成在iFlexSense皮肤上，以用于外部流动环境；同时通过传感网络定位和识别结构冲击，并集成数字信号传输到数据处理中心(人工智能方法)。
图2. 多功能传感性能。(a)风压，基于电容的风压传感机理示意图，负压从-800Pa到0Pa，正压从0Pa到+ 800Pa相应的电容变化；-p表示负压，+p表示正压。(b)颤振和冲击定位，压电传感器在动态刺激下的传感机理，以及反复加载在压电传感器上的压力增加时输出电压。(c)壁面剪应力，热膜剪切应力传感器的热损失传感机理图、相对电阻随温度的变化，输出电压变化及壁面剪应力的相应曲线。(d)温度与应变，基于电阻的温度和应变传感机理示意图，两个传感器的相对电阻分别随温度和应变呈线性变化。(e)移动的热气流吹到集成iFlexSense皮肤的机翼上；(P:压电传感器; H: 热膜传感器; C:电容式压力传感器; T&S:温度和应变传感器). (f) 来自压电传感器(点P7)、热膜传感器(点H2)、电容式压力传感器(点C2)和温度传感器(点T1)的实时模拟响应。
图3. iFlexSense皮肤的气流感知。(a)电子皮肤安装在标准NACA 0012机翼上，不同自由流体的速度从4m/s增加到11.16m/s，在-25°到+25°(增量为1°)的攻击角范围内；(b, c)不同速度不同攻击角条件下地面压力(点C2)的实时响应；并将电容式传感器与商用压力传感器进行比较。(d) 在11.16m/s的速度下，从同一截面的压力传感器(点C2)和热膜传感器(点H2)获得得电压信号随攻击角的变化情况。(e) i)攻击角为 0°、8°和20°时NACA 0012机翼的压力分布图；其中红色区域代表正压，蓝色区域代表负压；ii~v)不同风速下，弦面上时均压力分布随攻击角的曲线。(f)吸收峰的相应时均压力。
图4. 速度高达70m/s时集成压电传感器的气流感知。(a)主要由压力波动和气流致结构振动导致的压电传感器输出信号变化的示意图；(b)在-4°到24°的攻击角下，压电传感器的实时输出电压；(c,d)不同攻击角下输出信号的功率谱密度(PSD)分析。
图5. 用iFlexSense皮肤监控飞行器的结构健康状况。(a)压电传感器网路的冲击定位示意图；(b)通过压电传感器、压力传感器、应变传感器、热膜传感器等对突然冲击做出综合判断；(c)压电传感器分别被气流和冲击刺激时的频率比较；(d)基于机械学习方法的结构冲击识别与定位的工作原理与结果。
原文链接
Wennan Xiong, Chen Zhu, Dongliang Guo, Chao Hou, Zhaoxi Yang, Zhangyu Xu, Lei Qiu, Hua Yang, Kan Li and YongAn Huang, Bio-Inspired, Intelligent Flexible Sensing Skin for Multifunctional Flying Perception, Nano Energy, (2021)
doi:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106550
通讯作者: 黄永安