鱼形机器人在化学物质感知中的仿真探索

将仿鱼机器人用于对水域化学物质的感知具有许多好处，可以充分发挥仿鱼机器人的运动特性和感知能力来完成许多不同类型的监控、检测任务。通过对水质的检测，人们可以了解其是否适合饮用；通过检测还可以了解环境是否适于鱼类生存；检测、监控水域中污染物质的扩散，并及时给出预警信息，对于保障人类社会的生存环境十分有利；甚至在反恐防爆领域，也可以利用机器人搭载的化学传感器检测水下是否存在危险的爆炸物，等等。尤其是随着传感器技术和智能监测技术的发展，将使仿鱼机器人具备许多鱼类所没有的化学感知能力，感受鱼类所无法感知的某些化学物质，极大改善并提高人类在水环境探测方面的能力和水平。

1.基于光纤的化学传感器

光纤化学传感器是指利用光纤波导性能构成的传感器，它们可以用来测定某些化学量，如pH值和化学物质的浓度等。它是由光源发出光线并通过光纤传播出去，因折射或反射而返回的光线经由光纤传递而被光学检测器获取。由于不同的物质会产生不同的光谱，所以通过对光谱的分析就可以获知环境中存在何种化学物质。图4-9所示为一种基于光纤技术制成的溶解氧化学传感器，它主要用于检测水中的氧气含量。水中的氧气含量对于水中生物的生存至关重要，也是检查水质污染情况的一个重要指标。

2.基于离子选择电极的化学传感器

离子选择电极是一类利用膜电势测定溶液中离子的活度或浓度的电化学传感器，当它和含待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液的相接触界面产生与该离子活度直接有关的膜电势[121]。离子选择电极上的膜电势是由电极膜表面的离子交换平衡产生的。将这种电极上产生的膜电势与标准浓度液体中电极上产生的膜电势进行比较就可以获知环境中的某种化学物质、离子浓度了。图4-10所示为一个用于测量pH值的离子选择电极化学传感器。

图4-9　光纤化学传感器

图4-10　基于离子选择电极的化学传感器(www.xing528.com)

3.生物传感器

生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器[122]。它是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等）及信号放大装置所构成的分析工具或系统。生物传感器具有接收器与转换器的功能。对生物物质具有分子结构的选择功能是生物传感器的最大优点。

各种生物传感器具有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

4.基于质量测量的声表面波化学传感器

图4-11所示为一种利用声波频率和物质质量之间的关系来测定化学物质浓度的传感器。该传感器的发射器可发出一定频率的声表面波信号，声表面波信号通过压电材料底层，被接收器接收到。当发射器和接收器之间的压电材料底层存在一定质量的化学物质时，声表面波频率就会发生变化，且频率的变化与化学物质的质量成正比。利用这个原理，并在压电材料底层上覆盖对某种化学物质具有吸收作用的材料，就可以制成化学传感器来感知并估计环境中某种化学物质的浓度了。

图4-11　基于质量测量的声表面波化学传感器

在化学传感器的帮助下，仿鱼机器人就可以感知环境中不同的化学物质并对其浓度进行检测，从而在环境污染、生物追踪等监控任务中发挥重要作用。