飛行感知廣泛用於飛行器、高速車輛、競技運動、建築等領域的幾何形狀優化、氣動載荷或升曳係數的計算、飛行狀態的預測以及流場結構狀態監測。含自由曲面物體周圍的氣流通常是複雜而不明確的，亟需開發多功能飛行感知能力系統，而關鍵在於將大量的具有不同傳感功能的傳感器整合到一個三維曲面上，以賦予複合材料和結構強大的能力：(i)感知外部氣流(風壓、壁面剪切應力、表面溫度等)、(ii)監測結構內部狀態(應變、衝擊、損傷等)、(iii)解釋流動現象(空分、層流-湍流轉換等)、(iv)預測飛行狀態(失速、顫振等)。這樣的多功能飛行感知將擴展飛行器多方面的能力，包括性能改進、自動飛行、適應性、多任務和全生命周期監控。
目前，測量氣動參數最常用的是微塊或微晶片傳感器方法和智能塗層方法。前者是刺入性的，每一個測量點都需要在物體上開一個小的孔/凹槽。如表面壓力測量是用細長管把這些小孔連接到壓力掃描儀上，其中的壓力傳感器可以依次收集風壓。微塊傳感器也可以直接嵌入孔中，與模型表面齊平，如用於表面壓力的Kulite壓阻式傳感器、用於衝擊的PCB壓電傳感器、用於壁面剪切應力的梳狀電容以及熱電偶/熱敏電阻溫度傳感器。另，對於研究流動特性至關重要的空間分布測量需要大量的孔，很耗時且對器件具有破壞性，幾乎不可能在薄的邊緣(如翼尖)開孔，沉重的電線或管道也極大阻礙了傳感器的大規模和多功能集成。另一方面，模型表面噴塗發光材料或油的塗層法，可直接進行連續空間測量，如用於壁面剪切應力測量的壓敏漆(PSP)、溫敏漆(TSP)及油膜干涉。CCD相機是獲取測量數據必不可少的，但難以避免測量盲點，且強烈依賴於環境溫度和照明條件。該方法僅用於風洞試驗，不適用於真正的飛行。因此，迫切需要開發解決上述問題的新方法。
柔性傳感器的開發為風洞試驗和飛行監控的曲面氣動測量開闢了新的途徑。由於超高靈活性和超薄厚度，傳感器很容易以非破壞性、分散且省時的方式安裝在曲面。可準確識別正負壓的柔性風壓傳感器已被開發，並在風洞試驗中得到驗證。熱膜傳感器是由非常細的金屬鎳絲或單壁碳納米管熱敏電阻製成的，用於壁面剪切應力的測量，並進一步確定流動的分離與轉變。然而，上述傳感體系僅用於局部、小區域測量。目前已製備出基於蛇形島狀互連結構的壓電傳感器網絡，其測量面積可擴展到其原始面積的2500%，經主動和被動導波法驗證可有效監測損害和衝擊。集合傳感器網絡的智能航空結構能夠探測空中飛行器的結構健康狀態，將低密度集成微型傳感器的傳感器網絡嵌入到複合材料內部可感知結構狀態，但不能用於氣流傳感，如計算升力和阻力、檢測氣流分離和失速等。因此，開發一種既能感知外部氣流又能監測內部結構健康狀態的多功能電子皮膚是一項極具挑戰性的工作。
受生物系統強大感知能力(皮膚中的各種感覺受體、神經通路、免疫系統和大腦)啟發，華中科技大學黃永安團隊首次開發了智能柔性傳感(iFlexSense)皮膚，並驗證了其在氣流傳感及全覆蓋、曲面的結構健康監測等方面的有效性。iFlexSense皮膚包含：用於捕獲周圍氣流中的各種刺激的類-皮膚機械感知系統、用於監測突然撞擊的免疫探測器、用於高保真數據傳輸的類-神經編碼系統、用於分析判斷數據的類-腦機器學習算法。在NACA 0012標準機翼上進行一系列不同風速和攻擊角度(AOA)條件下的風洞實驗和衝擊定位測試，通過多傳感器數據融合方法驗證了其在測量實時變化且空間各處不同的氣流參數(風壓、顫振、壁面剪切應力、溫度)、探測結構衝擊、解釋流動現象(空分)和預測飛行狀態(失速、顫振)等方面的能力。相關研究成果發表在Nano Energy期刊，題目為「Bio-Inspired, Intelligent Flexible Sensing Skin for Multifunctional Flying Perception」。
工作背景
華中科技大學黃永安團隊通過模仿飛行生物的多功能飛行感知能力(皮膚、神經通路、免疫系統和大腦中的各種感覺受體)開發出仿生iFlexSense皮膚。這是首次實現同一種材料外部氣流傳感（電子皮膚）、內部結構健康監測（衝擊監測）、原位數據編碼（ADC晶片）、數據分析系統（人工智慧方法）的多功能集合，適用於複雜曲面的氣流環境。系統中所有柔性傳感器都經全新的設計和製作，包括用於風壓的電容式傳感器，用於壁面剪切應力的金屬鎳基熱膜傳感器，用於表面溫度和結構應變的電阻式溫度應變傳感器，用於耦合氣流-結構動力學的壓電傳感器以及用於衝擊定位的陣列網絡。iFlexSense皮膚賦予彎曲物體感知不同氣流參數、識別衝擊、解釋流動現象(空分)、評估和預測飛行狀態(失速、顫振)等能力。不同傳感器可以從不同方面對周圍環境做出響應，以反映氣流特性。標準機翼模型下的一系列的風洞試驗和衝擊定位測試證明了iFlexSense皮膚前所未有的感知能力。團隊所得的風壓傳感器與商業化傳感器在所有條件下均表現出高度一致性。協同利用來源於不同傳感器氣動數據進行相互驗證，可精準預測在高攻角下大規模氣流分離導致的失速和結構顫振。
與常用的微塊或微晶片傳感器或小區域柔性傳感器的每個測量點均要開孔的方式相比，iFlexSense皮膚是以非破壞性的方式簡單直接地貼附於曲面表面上，並與自製採集系統緊密結合以用於大規模、多參數的測量和監控。更重要的是，多傳感器數據融合方法有助於精準、可靠評估或預測流動特性，比如失速、流動分離、顫振等。該iFlexSense皮膚技術將會帶來飛行感知的變革，尤其是與智能複合結構相結合，為多領域的應用提供了巨大可能，如:未來變形飛行器、「Fly-by-Feel」無人機、高速測量以及水下探測器等。
圖文詳情
圖1. 人工和生物感知飛行的軀體感覺系統示意圖。飛行生物的天然皮膚提供了感知外部氣流和監測身體健康狀況的能力。廣泛分布在皮膚中的不同受體可收到多種刺激信號，如溫度、剪切、壓力、應變和顫振。身體受損馬上能被發現。受體電位通過帶有編碼信息的神經通路轉化為動作電位(尖刺)。軀體感覺皮層通過整合來自多個神經元的動作電位來處理多種信息。相似地，具有相應感知能力的不同柔性傳感器和ADC晶片集成在iFlexSense皮膚上，以用於外部流動環境；同時通過傳感網絡定位和識別結構衝擊，並集成數位訊號傳輸到數據處理中心(人工智慧方法)。
圖2. 多功能傳感性能。(a)風壓，基於電容的風壓傳感機理示意圖，負壓從-800Pa到0Pa，正壓從0Pa到+ 800Pa相應的電容變化；-p表示負壓，+p表示正壓。(b)顫振和衝擊定位，壓電傳感器在動態刺激下的傳感機理，以及反覆加載在壓電傳感器上的壓力增加時輸出電壓。(c)壁面剪應力，熱膜剪切應力傳感器的熱損失傳感機理圖、相對電阻隨溫度的變化，輸出電壓變化及壁面剪應力的相應曲線。(d)溫度與應變，基於電阻的溫度和應變傳感機理示意圖，兩個傳感器的相對電阻分別隨溫度和應變呈線性變化。(e)移動的熱氣流吹到集成iFlexSense皮膚的機翼上；(P:壓電傳感器; H: 熱膜傳感器; C:電容式壓力傳感器; T&S:溫度和應變傳感器). (f) 來自壓電傳感器(點P7)、熱膜傳感器(點H2)、電容式壓力傳感器(點C2)和溫度傳感器(點T1)的實時模擬響應。
圖3. iFlexSense皮膚的氣流感知。(a)電子皮膚安裝在標準NACA 0012機翼上，不同自由流體的速度從4m/s增加到11.16m/s，在-25°到+25°(增量為1°)的攻擊角範圍內；(b, c)不同速度不同攻擊角條件下地面壓力(點C2)的實時響應；並將電容式傳感器與商用壓力傳感器進行比較。(d) 在11.16m/s的速度下，從同一截面的壓力傳感器(點C2)和熱膜傳感器(點H2)獲得得電壓信號隨攻擊角的變化情況。(e) i)攻擊角為 0°、8°和20°時NACA 0012機翼的壓力分布圖；其中紅色區域代表正壓，藍色區域代表負壓；ii~v)不同風速下，弦面上時均壓力分布隨攻擊角的曲線。(f)吸收峰的相應時均壓力。
圖4. 速度高達70m/s時集成壓電傳感器的氣流感知。(a)主要由壓力波動和氣流致結構振動導致的壓電傳感器輸出信號變化的示意圖；(b)在-4°到24°的攻擊角下，壓電傳感器的實時輸出電壓；(c,d)不同攻擊角下輸出信號的功率譜密度(PSD)分析。
圖5. 用iFlexSense皮膚監控飛行器的結構健康狀況。(a)壓電傳感器網路的衝擊定位示意圖；(b)通過壓電傳感器、壓力傳感器、應變傳感器、熱膜傳感器等對突然衝擊做出綜合判斷；(c)壓電傳感器分別被氣流和衝擊刺激時的頻率比較；(d)基於機械學習方法的結構衝擊識別與定位的工作原理與結果。
原文連結
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
研究團隊介紹
通訊作者: 黃永安
華中科技大學教授、博士生導師，數字製造裝備與技術國家重點實驗室副主任，國家傑出青年科學基金獲得者，「科學探索獎」獲得者，華中科技大學「華中學者」和「學術前沿青年團隊——柔性電子製造團隊帶頭人」，曾獲得國家優秀青年科學基金、國家「萬人計劃」青年拔尖人才、教育部「長江學者獎勵計劃」青年學者等稱號。致力於新興柔性電子技術研究，包括：柔性電子系統（穿戴式電子系統、飛行器智能蒙皮、機器人電子皮膚、柔性顯示等）和柔性電子製造（高精度噴印製造技術與裝備、雷射剝離/巨量轉移技術與裝備、複雜曲面電子3D列印技術與裝備、微等離子體加工技術與裝備等） 。在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Materials Horizon、Nano Energy、Small、Nature Comm.等期刊發表SCI論文100餘篇（封面/封底論文10篇，影響因子大於10的論文10餘篇），出版中文著作2部、英文著作2部，獲得授權國家發明專利60餘項，美國專利1項，軟體著作權登記4項，獲得湖北省自然科學一等獎、陝西省科學技術一等獎、瑞士日內瓦國際發明金獎/特別金獎。
兼任Sci. China Tech Sci.和《中國科學：技術科學》青年編委、International Journal of Extreme Manufacturing青年編委、《控制與決策》編委、Nature集團旗下期刊Scientific Reports編委；擔任ICIRA 2017、ISFSE 2016/2018、2019年軟體機器人理論與技術研討會等大會執行主席；湖北省人工智慧學會常務理事、中國微米納米技術學會微納米製造及裝備分會理事、國家自然科學基金機械學科函評專家、ASME會員、IEEE會員等。