[發明專利]基于壓電材料的水下生物機器魚系統供能裝置

有效

• 申請號: 201210422306.7
• 申請日: 2012-10-29
• 公開（公告）號: CN102957339A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 劉景全;張川;吳婷婷;楊斌;楊春生
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02J15/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及一種生物機器人領域的裝置，具體地，涉及一種基于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工控制。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。生物機器人技術始于上個世紀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、復雜地形任務的可能性。盡管由于技術種類復雜等條件的制約，多數生物機器人的實驗還處在實驗室條件下，但在已經發表報道的研究成果中，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，人們的研究還并不很多。尤其國內，水下生物機器人依然是一個空白。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時，生物機器魚有著更好的隱蔽能力和目標識別能力；最后，生物機器魚功耗遠小于仿生機器魚，因為其本身主要是依賴于生物本身的生物機能。對于仿生機器魚，一個重要的問題就在于功耗，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。

盡管如此，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。而傳統的采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，影響其游動的靈活性。

水下智能系統供電裝置的工作原理是基于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，壓電材料用作能量采集一般得到的電壓較高，而電流卻比較小，正適合于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于外部環境水流強度和魚的擺動強度，當壓電能量采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。

利用壓電材料制造的水下生物機器魚系統供能裝置，由于其比較簡潔輕便，可以安置在生物機器魚的身體側面或者尾鰭后，同時并不影響魚的游動。

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?swimming?in?goldfish?by?brain?stimulation:confirmation?of?the?midbrain?nuclei?as?the?swimming?center”（“通過腦刺激對金魚游動進行人工控制：確定了中腦核為游泳運動的神經中心”《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，但這也使得魚游動大大受到了阻礙。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于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，本發明提供一種基于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干或頭部；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，整流后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。

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力度最大，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、聚偏氟乙烯（PVDF）或者聚酰亞胺。

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。