Моделирование МЭМС датчика давления, вдохновленного пещерными рыбами
Множество надводных и подводных средств передвижения используют активные, а потому энергозатратные, методы зондирования для обнаружения и идентификации объектов в океане. В попытке найти энергоэффективную альтернативу, группа исследователей из PSG College of Technology использовала численное моделирование для исследования датчика давления, конструкция которого была «подсмотрена» у слепых пещерных рыб. В данной статье мы поближе познакомимся с этим инновационным пассивным МЭМС-датчиком давления.
Опыт природы для проектирования датчика давленияВодные глубины не слишком удобная среда обитания для судов, сделанных человеком. Недостаток света, мутная или взбаламученная вода затрудняют видимость, а иногда даже, или делают её попросту недостижимой. Глубоководные аппараты, такие как подводные лодки, должны обнаруживать, отслеживать и избегать столкновения с объектами в этих непростых условиях. Но и это еще не все, на подводных лодках имеется весьма ограниченный ресурс энергоснабжения, поэтому, все эти средства контроля должны быть максимально энергоэффективными.
Изображение автономного подводного аппарата. (Предоставлено CSIRO ICT Centre. Licensed under Creative Commons Attribution 3.0 Unported, via Wikimedia Commons.)
Большинство стандартных подводных лодок используют сонарные и оптические методы для ориентирования в окружающем их пространстве. Эти методы работают, однако они не лишены недостатков. Сонар может нанести вред (вплоть до летального) морским организмам, а оптические методы практически бесполезны в условиях плохой видимости. К тому же, оба этих способа являются активными методами детектирования (зондирования), что чревато последствиями в условиях ограниченных энергоресурсов.
В попытке найти более эффективный способ ориентирования в водной среде для различных средств передвижения, группа из PSG College of Technology обратилась за поиском вдохновения к опыту слепых пещерных рыб.
Слепая мексиканская пещерная рыба способна быстро передвигаться и избегать препятствий в мутной и заполненной плавающими предметами среде благодаря массиву невромастов – специальных рецепторов, образующих органы т.н. боковой линии. Эта рыба может ориентироваться в окружающем её пространстве, используя поверхностные невромасты, которые реагируют на изменения потока обтекающей жидкости, а также каналы невромастов, реагирующих на перепады давления.
Изображение слепой пещерной рыбы с затененными органами боковой линии. Точки внутри боковой линии представляют собой каналы невромастов. Изображение от Aarthi E. et al., из представленной ими статьи на Конференции сообщества COMSOL 2013 в Бангалоре.
Пожалуй, самое важное свойство этой пещерной рыбы заключается в том, что она выполняет зондирование окружающей обстановки в пассивном режиме. Это означает, что рыба может ориентироваться в пучине вод без затрат энергии на испускание волн, которые могут причинить вред окружению или, того хуже, раскрыть её местопребывание. Вместо этого, эта рыба пассивно мониторит поток воды, протекающей вокруг нее.
С помощью физического интерфейса Laminar Flow среды COMSOL Multiphysics, исследователи смогли предсказать поведение своей конструкции подводного датчика давления, использующего такой энергетически выгодный метод пассивного детектирования.
Разработка пассивного подводного датчика давленияЧтобы создать датчик давления, который может функционировать в пассивном режиме, исследователи имитировали органы боковой линии пещерных рыб.
При проектировании индивидуальные датчики давления были объединены в одномерный массив из десяти штук, подобно органу боковой линии у пещерных рыб с промежутками между ними, чтобы избежать перекрестных помех. Каждый индивидуальный датчик из массива имеет гибкую чувствительную диафрагму, закрепленную над основанием датчика. Чувствительный слой изготовлен из жидкокристаллического полимера (в англ. liquid crystal polymer – LCP), который является гибким и прочным, а также обладает хорошей коррозионной стойкостью.
На диафрагму помещаются тензорезисторные датчики, которые преобразуют изменение давления в изменение сопротивления золотых пьезорезисторов. Наконец, данную стоячую структуру, имитирующую поверхностный невромаст пещерной рыбы, можно закрепить на каком-нибудь судне, где она будет измерять значение скорости.
Геометрия МЭМС-датчика давления. Изображение предоставлено Aarthi E. et al., из статьи на Конференции сообщества COMSOL 2013 в Бангалоре.
Данный датчик давления может обнаруживать возмущения в воде, окружающей его. Представим, например, что подлодка с этим датчиком приближается к затонувшему кораблю. Перемещаясь, подводная лодка, также как это было бы на поверхности, гонит перед собой волну или поток воды. Затонувший корабль вызывает изменение в потоке воды которая протекала бы свободно в его отсутствие, а так, она частично отражается от препятствия обратно и, тем самым, создает перепад давления, действующий на мембрану датчика. Датчик способен почувствовать это изменение, потому что перепад давления заставляет мембрану изогнуться, как показано на рисунке ниже.
Смещение диафрагмы в датчике, вызванное приложенным давлением. Изображение предоставлено Aarthi E. et al., из статьи на Конференции сообщества COMSOL 2013 в Бангалоре.
Изгиб мембраны вызывает изменение величины сопротивления пьезорезисторов, которое может быть определено по смещению напряжения. Таким образом, датчик давления способен пассивно обнаруживать изменения в окружающей его обстановке, вызванные, например, затонувшим кораблем.
Такое устройство позволит подводным лодкам свободно ориентироваться на глубине, не тратя при этом энергии. Но прежде всего, исследователи должны были убедиться в том, насколько хорошо работает датчик давления.
Проверка конструкции датчика давления при помощи численного моделированияУченые проанализировали способность датчика давления обнаруживать изменения в окружающей среде путем расчета распределения скорости и давления для различных уровней граничных напряжений оказываемых на датчик. В их моделировании, рост граничных напряжений сопровождается приближением объекта к датчику. Это изменение в граничных напряжениях должно также изменять скорость и давление, испытываемое датчиком.
Слева: Распределение скорости по поверхности датчика. Справа: Распределение давления по поверхности датчика. Изображение предоставлено Aarthi E. etal., из статьи на Конференции сообщества COMSOL 2013 в Бангалоре.
Результаты моделирования показали, что датчик испытывает изменения как скорости, так и давления при росте граничных напряжений. Это те же изменения, которые ощущают слепые пещерные рыбы, но каков предельный уровень чувствительности датчика давления к этим изменениям?
Исследователи определили чувствительность, как изменение сопротивления тензометрического датчика на единицу изменения механического напряжения. Они наблюдали за увеличением сопротивления, возникающим при изменении давления, и определили, что их датчик является достаточно чувствительным для обнаружения перепада давления в 5 Н/м 2 .
В целом, данный пассивный датчик давления не только достаточно чувствителен, чтобы хорошо выполнять свои функции, но, к тому же, он энергетически выгодный, безопасный и скрытный. Такая конструкция является хорошей энергосберегающей альтернативой для применений при подводном детектировании давления. Интерфейсы различных физических процессов, таких как взаимодействие жидкости с различными объектами, пьезорезистивных эффектов и модели гиперупругих материалов, доступные в программном обеспечении COMSOL предоставляют возможность непосредственного моделирования такого рода датчиков.