《npj Flexible Electronics》：Soft bionic actuation explains the functional role of whisking in seal whisker sensing
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本文聚焦于海豹如何在黑暗水域实现高精度猎物追踪，针对过去对静态人造触须的研究未能阐明主动摆动功能的局限，研究人员创新性地整合了电液软体驱动器（人工肌肉）于天然触须基部，并构建了可多角度、多频率摆动的仿生海豹吻部，揭示了波动形态与主动触须伸展对获得高信噪比（SNR）以追踪猎物轨迹的不可或缺性。
在漆黑一片的深海，海豹却能精准地导航并锁定猎物，这种非凡能力很大程度上归功于其超灵敏的触须。这些触须拥有两大关键适应性特征：一是其波浪状的独特形态，能有效抑制自身诱导产生的振动；二是其具有节奏的主动摆动行为，可主动探测周围水流。然而，尽管海豹触须的感知机制令人着迷，但大多数先前的研究都集中于静态的人造触须模型，这使得主动摆动的功能性角色长期笼罩在迷雾之中，成为一个亟待解决的关键科学问题。为了揭开这个谜团，一个研究团队展开了一项深入探索，旨在阐明波动形态与主动摆动如何协同工作，赋能海豹实现其卓越的水下感知能力。他们的研究成果最终发表在了《npj Flexible Electronics》期刊上。
为了回答上述问题，研究人员运用了几个关键技术方法。首先，他们对天然触须（如港海豹和加利福尼亚海狮）的流体动力学性能进行了量化比较，测量了涡激振动（VIV）和信噪比（SNR）等关键参数。其次，他们将一种由电液软体致动器构成的人工肌肉集成到天然触须的基部，从而实现了对触须基部的精确刚度控制和有节奏的摆动模仿。最后，他们研制了一个仿生海豹吻部原型，每侧装配30根天然触须，这个系统能够以不同的角度和频率进行摆动，高度模拟了自然状态下的动力学行为。
研究结果
波动形态显著降低噪声并提升信噪比
研究人员通过对比不同形态的天然触须发现，具有波动（undulatory）形态的港海豹触须，其产生的涡激振动（Vortex-Induced Vibration, VIV）幅度比形态更接近圆柱形的加利福尼亚海狮触须低三倍。更重要的是，在模拟的猎物尾流（vortex street）信号检测中，港海豹触须表现出的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）比海狮触须高出五十倍以上。这一结果直接证明了波动形态在抑制由触须自身引起的噪声（即VIV）方面的有效性，从而为探测微弱的外部流体信号（如猎物游动产生的水流）提供了极高的信号清晰度。
主动摆动是优化感知策略的关键
通过集成在触须基部的电液软体致动器（人工肌肉），研究人员能够主动控制触须进行有节奏的伸缩（protraction）运动，即“摆动（whisking）”。实验表明，这种主动的摆动行为并非随意，而是一种功能性的感知策略。当触须主动向前伸展时，它能更有效地“探索”周围水空间，可能增加与目标信号（如猎物轨迹）相遇的概率。研究将静态触须与动态摆动触须的感知性能进行对比，进一步阐明了主动运动在提升探测效率和可能的方向辨别能力中的作用。
仿生系统验证自然策略的有效性
所开发的仿生海豹吻部系统，集成了多根可独立控制摆动的天然触须，使得在更接近自然条件的设置下测试感知假说成为可能。利用该系统进行的实验验证了波动形态与主动摆动相结合的策略，能够复现出海豹在追踪复杂流体信号（如随时间衰减的涡街）时所需的高性能。该系统不仅是一个验证工具，也为未来开发新型水下流动感知机器人提供了直接的技术蓝图和仿生设计原理。
结论与讨论
本研究通过精密的实验和仿生系统构建，明确揭示了海豹触须卓越感知能力背后的双重机制：一是被动式的波动形态，它能极其高效地抑制本体噪声（涡激振动）；二是主动式的有节奏摆动，它作为一种积极的感知策略，优化了对环境中目标信号的探测。两者相辅相成，缺一不可，共同确保了触须在复杂水环境中能获得足够高的信噪比（SNR），从而实现对猎物尾迹等高动态流体特征的精准跟踪。
这项研究的意义深远。在科学层面，它首次在实验上清晰地分解并证实了波动形态和主动摆动在活体动物高级感知中的具体功能角色，解决了生物力学和感觉生态学中的一个长期疑问。在技术应用层面，该研究为下一代水下传感技术提供了革命性的设计思路。基于此原理开发的仿生流动传感器，预计将具有极高的灵敏度和抗干扰能力，可广泛应用于水下自主机器人导航、盲文海流测绘、管道检测以及海洋环境监测等领域，实现以往技术难以企及的微弱信号检测能力。论文中展示的、利用电液软体致动器（一种柔性仿生驱动技术）实现精确运动控制的方法，也为软体机器人技术与高性能传感系统的融合开辟了新的道路。
