基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置的製作方法

2023-10-11 22:40:09

專利名稱：基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種生物機器人領域的裝置，具體地，涉及ー種基於壓電材料的水下生物機器魚系統的供能裝置。
背景技術：
生物機器人是通過動物的感受傳入或者神經控制入手，實現對動物行為方式的人エ控制。這項技術中，人們通過刺激神經、肌肉等來利用動物本身的運動機能。生物機器人技術始於上個世紀90年代，是多項科技的發展融合產物。許多生物在長期的演化過程中，獲得的特殊能力不容忽視。生物機器人具備的優點，使得很多研究人員轉向生物機器人的研究工作。生物機器人更有實現遠距離、複雜地形任務的可能性。儘管由於技術種類複雜等條件的制約，多數生物機器人的實驗還處在實驗室條件下，但在已經發表報導的研究成果中，生物機器人表現出良好的前景。可是，我們也發現，在水下生物的控制上，人們的研究還並不很多。尤其國內，水下生物機器人依然是ー個空白。但顯而易見的是，生物機器魚擁有比傳統的仿生機器魚更明顯的優勢首先，生物機器魚比仿生機器魚有著更強的環境適應性，活動更加靈活；其次，在進行偵查搜救活動吋，生物機器魚有著更好的隱蔽能力和目標識別能力；最後，生物機器魚功耗遠小於仿生機器魚，因為其本身主要是依賴於生物本身的生物機能。對於仿生機器魚，ー個重要的問題就在於功耗，供能問題是不可忽視的重要問題，能量的有限大大限制了仿生機器魚的運動距離，而生物機器魚依靠的是魚本身的活動能力，擁有相對低的功耗。儘管如此，在長期、長距離的控制過程中，生物機器魚同樣會面臨供能不足的問題。而傳統的採用電池供能不具備長期實現人工控制的能力，同時也會加大魚的負載，影響其遊動的靈活性。水下智能系統供電裝置的工作原理是基於壓電材料的壓電效應，其壓電效應是將機械能轉化為電能。將材料內部正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小，導致原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現放電現象。表現為其產生機械應變時，會產生電荷；而當外加電場時，會相應地產生形變。一般的，壓電材料用作能量米集一般得到的電壓較高，而電流卻比較小，正適合於發明所提及的生物機器人的控制使用。本發明中，壓電材料所產生的電能依賴於外部環境水流強度和魚的擺動強度，當壓電能量採集器的系統頻率與外部振動頻率相匹配產生共振時，將輸出最大功率。利用壓電材料製造的水下生物機器魚系統供能裝置，由於其比較簡潔輕便，可以安置在生物機器魚的身體側面或者尾鰭後，同時並不影響魚的遊動。經對現有技術文獻的檢索發現，Nobutaka Kobayashi, Masayuki Yoshida等在《Neuroscience Letters)) 452 (2009) 42-49 撰文「Artificial control of swimmingin goldfish by brain stimulation:connrmation of the midbrain nuclei as theswimming center」(「通過腦刺激對金魚遊動進行人エ控制確定了中腦核為遊泳運動的神經中心」《神經科學快報》)。該文中使用小型電池作為控制裝置的功能系統，但這大大加重了魚需要承擔的符合；同時該文中提出了使用懸浮泡沫的浮力來減少電池和器件帶來的負重，但這也使得魚遊動大大受到了阻礙。

發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供ー種基於壓電材料的生物機器魚水下供能系統，本發明減小了控制刺激系統的重量對魚的負荷，同時可以長期對其進行控制，以解決控制系統負荷過高、持續時間短等問題。為實現上述目的，本發明提 供ー種基於壓電材料的生物機器魚水下供能系統，包括柔性材料基底、柔性壓電材料、整流電路、傳輸電路和能量存儲裝置，所述柔性壓電材料固定在柔性材料基底上，所述能量存儲裝置預先植入或固定在魚的軀幹或頭部；其中所述柔性材料基底包括自由端和固定端，固定端固定在魚的尾鰭或者背鰭上；當魚擺動時，使得柔性壓電材料隨著柔性材料基底產生彎曲，從而形成電場,整流電路對得到的電流進行整流，整流後通過傳輸電路分段引出到工作電路或者能量存儲裝置，從而產生下一歩的刺激信號。優選的，所述的柔性材料基底固定在魚的尾鰭上，之所以選用魚的尾鰭是因為尾鰭的擺動カ度最大，同時又能最小限度地限制魚本身的活動。優選的，所述的柔性材料基底呈片狀或條狀。優選的，所述的柔性材料基底為聚酯薄膜、聚偏氟こ烯(PVDF)或者聚醯亞胺。優選的，所述的柔性壓電材料結構為片狀或條狀。優選的，所述的柔性壓電材料為薄膜材料，該材料薄膜層為單層或者多層。優選的，所述的柔性壓電材料為聚偏氟こ烯(PVDF)、PZT或ZnO材料。優選的，所述的整流電路預先加工在柔性材料基底上。本發明的工作原理為利用柔性壓電材料良好的特性，通過微加工エ藝製備的柔性壓電材料，將其固定在柔性材料基底上，從而形成ー個具有良好能量採集功能的條狀或者片狀薄膜；將其一端固定在魚的尾鰭上，當電刺激魚腦或者肌肉使其產生運動的時候，魚的尾鰭的擺動的能量傳遞到壓電材料薄膜上；由於壓電材料彎曲時，不同彎曲方向的產生的電場方向不同，則得到的電流方向也不同，所以將此處產生的電流通過預先加工在柔性基底上的整流電路進行整流，再將電流分別引入正負極，進而傳輸給能量通過傳輸電路供給前端的刺激電路或者傳到能量存儲裝置裡，從而控制生物機器魚的下一歩運動。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果本發明的供能系統具有重量輕、供能持續時間長等特點，同時可以減小控制供能系統的重量對魚的負荷，從而實現對生物機器魚系統長期、長距離控制。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯圖I為本發明的整體結構示意圖；圖2為本發明的固定在尾鰭上的柔性材料基底和壓電材料薄膜示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一歩理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。如圖1-2所示，本實施例所述的供能裝置主要包括柔性材料PDMS基底3、固定在魚的尾鰭I上的壓電材料PVDF薄膜2、傳輸電路4、加工在基底3上的整流電路5和能量存儲裝置。其中壓電材料PVDF薄膜2固定在柔性材料PDMS基底3上，並通過覆蓋另ー層柔性PDMS薄膜達到密封的目的；傳輸電路4和能量存儲裝置植入或固定在魚的軀幹或頭部；在柔性材料PDMS基底3上預先加工整流電路5，通過整流，進而通過傳輸電路4傳輸給能量存儲裝置。 通過微加工エ藝製備的壓電材料PVDF薄膜2，將其固定在柔性材料PDMS基底3上，從而形成ー個具有良好能量採集功能的條狀或者片狀薄膜。將其一端固定在魚的尾鰭I上，當魚的尾鰭I擺動的時候，使得壓電材料PVDF薄膜2隨著柔性材料PDMS基底3產生彎曲，從而形成電場。由於壓電材料PVDF薄膜2的擺動方向不同，產生的電流方向也不同。整流電路5對得到的電流進行整流，再將電流通過傳輸電路4傳輸到外面的工作電路或者能量存儲裝置中，從而提供能量產生刺激信號，進而繼續控制魚進行下一歩的活動。本實施例可根據具體的應用要求，採用相應的尺寸。如下表I列出了整個壓電能量採集器ー組設計參數。表I
基底尺寸(mm3) 壓電薄膜尺寸產生電壓Max (V)平均能量輸出(mmJ)CmW)
20x10x0.110x5x0.02I 753.9本實施例中，所述的柔性材料基底固定在魚的尾鰭上，當然在其他實施例中，也可以固定在魚的背鰭上，同樣能夠實現上述的目的。本實施例中，所述的柔性材料基底可以是聚酷薄膜、聚偏氟こ烯(PVDF)薄膜或者聚醯亞胺中的任ー種。本實施例中，所述的柔性材料基底呈片狀或條狀。本實施例中，所述的柔性壓電材料為聚偏氟こ烯(PVDF)、PZT或ZnO材料。本實施例中，所述的柔性壓電材料結構為片狀或條狀。本實施例中，所述的柔性壓電材料為薄膜材料，該材料薄膜層為單層或者多層。本發明的供能系統具有重量輕、供能持續時間長等特點，同時可以減小控制供能系統的重量對魚的負荷，從而實現對生物機器魚系統長期、長距離控制。以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置，其特徵在於，包括柔性材料基底，柔性壓電材料，整流電路，傳輸電路和能量存儲裝置，所述柔性壓電材料固定在柔性材料基底上，所述傳輸電路和所述能量存儲裝置植入或固定在魚的軀幹或頭部；其中所述柔性材料基底包括自由端和固定端，固定端固定在魚的尾鰭或背鰭上；當魚擺動時，使得柔性壓電材料隨著柔性材料基底產生彎曲，從而形成電場,整流電路對得到的電流進行整流，整流後通過傳輸電路分段引出到工作電路或者能量存儲裝置，從而產生下一步的刺激信號。
2.根據權利要求I所述的基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置，其特徵在於，所述的柔性材料基底呈片狀或條狀。
3.根據權利要求I或2所述的基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置，其特徵在於，所述柔性材料基底為聚酯薄膜、聚偏氟乙烯或者聚醯亞胺。
4.根據權利要求I所述的基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置，其特徵在於，所述的柔性壓電材料結構為片狀或條狀。
5.根據權利要求I或4所述的基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置，其特徵在於，所述的柔性壓電材料為薄膜材料，該材料薄膜層為單層或者多層。
6.根據權利要求5所述的基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置，其特徵在於，所述的柔性壓電材料為聚偏氟乙烯、PZT或ZnO材料。
7.根據權利要求I所述的基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置，其特徵在於，所述的整流電路預先加工在柔性材料基底上。
全文摘要
本發明提供一種基於壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置，包括柔性材料基底、壓電薄膜、整流電路、傳輸電路和能量存儲裝置。其中所述柔性材料基底包括自由端和固定端，固定端固定在尾鰭或者背鰭上；所述壓電薄膜固定在所述柔性材料基底上；所述傳輸電路和所述能量存儲裝置植入或固定在魚的軀幹或頭部。本發明通過採集生物本身運動產生的振動，使得壓電材料產生形變，通過整流電路整流，經過電流傳輸和存儲後，使得刺激裝置持續地產生電信號，從而控制生物神經進行活動。本發明具有重量輕，供能持續時間長等特點，同時可以減小控制供能系統的重量對魚的負荷，從而實現對生物機器魚系統長期、長距離控制。
文檔編號H02N2/18GK102957339SQ20121042230
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月29日 優先權日2012年10月29日
發明者劉景全, 張川, 吳婷婷, 楊斌, 楊春生 申請人:上海交通大學