CN102957339A - 基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置 - Google Patents

基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置 Download PDF

Info

Publication number
CN102957339A
CN102957339A CN2012104223067A CN201210422306A CN102957339A CN 102957339 A CN102957339 A CN 102957339A CN 2012104223067 A CN2012104223067 A CN 2012104223067A CN 201210422306 A CN201210422306 A CN 201210422306A CN 102957339 A CN102957339 A CN 102957339A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
supply device
fish
device based
fish system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2012104223067A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102957339B (zh
Inventor
刘景全
张川
吴婷婷
杨斌
杨春生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN201210422306.7A priority Critical patent/CN102957339B/zh
Publication of CN102957339A publication Critical patent/CN102957339A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102957339B publication Critical patent/CN102957339B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

本发明提供一种基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置，包括：柔性材料基底、压电薄膜、整流电路、传输电路和能量存储装置。其中所述柔性材料基底包括自由端和固定端，固定端固定在尾鳍或者背鳍上；所述压电薄膜固定在所述柔性材料基底上；所述传输电路和所述能量存储装置植入或固定在鱼的躯干或头部。本发明通过采集生物本身运动产生的振动，使得压电材料产生形变，通过整流电路整流，经过电流传输和存储后，使得刺激装置持续地产生电信号，从而控制生物神经进行活动。本发明具有重量轻，供能持续时间长等特点，同时可以减小控制供能系统的重量对鱼的负荷，从而实现对生物机器鱼系统长期、长距离控制。

Description

基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置
技术领域
本发明涉及一种生物机器人领域的装置，具体地，涉及一种基于压电材料的水下生物机器鱼系统的供能装置。
背景技术
生物机器人是通过动物的感受传入或者神经控制入手，实现对动物行为方式的人工控制。这项技术中，人们通过刺激神经、肌肉等来利用动物本身的运动机能。生物机器人技术始于上个世纪90年代，是多项科技的发展融合产物。许多生物在长期的演化过程中，获得的特殊能力不容忽视。生物机器人具备的优点，使得很多研究人员转向生物机器人的研究工作。生物机器人更有实现远距离、复杂地形任务的可能性。尽管由于技术种类复杂等条件的制约，多数生物机器人的实验还处在实验室条件下，但在已经发表报道的研究成果中，生物机器人表现出良好的前景。
可是，我们也发现，在水下生物的控制上，人们的研究还并不很多。尤其国内，水下生物机器人依然是一个空白。但显而易见的是，生物机器鱼拥有比传统的仿生机器鱼更明显的优势：首先，生物机器鱼比仿生机器鱼有着更强的环境适应性，活动更加灵活；其次，在进行侦查搜救活动时，生物机器鱼有着更好的隐蔽能力和目标识别能力；最后，生物机器鱼功耗远小于仿生机器鱼，因为其本身主要是依赖于生物本身的生物机能。对于仿生机器鱼，一个重要的问题就在于功耗，供能问题是不可忽视的重要问题，能量的有限大大限制了仿生机器鱼的运动距离，而生物机器鱼依靠的是鱼本身的活动能力，拥有相对低的功耗。
尽管如此，在长期、长距离的控制过程中，生物机器鱼同样会面临供能不足的问题。而传统的采用电池供能不具备长期实现人工控制的能力，同时也会加大鱼的负载，影响其游动的灵活性。
水下智能系统供电装置的工作原理是基于压电材料的压电效应，其压电效应是将机械能转化为电能。将材料内部正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小，导致原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。表现为其产生机械应变时，会产生电荷；而当外加电场时，会相应地产生形变。一般的，压电材料用作能量采集一般得到的电压较高，而电流却比较小，正适合于发明所提及的生物机器人的控制使用。本发明中，压电材料所产生的电能依赖于外部环境水流强度和鱼的摆动强度，当压电能量采集器的系统频率与外部振动频率相匹配产生共振时，将输出最大功率。
利用压电材料制造的水下生物机器鱼系统供能装置，由于其比较简洁轻便，可以安置在生物机器鱼的身体侧面或者尾鳍后，同时并不影响鱼的游动。
经对现有技术文献的检索发现，Nobutaka Kobayashi,Masayuki Yoshida等在《Neuroscience Letters》452（2009）42-49撰文“Artificial control of swimming in goldfishby brain stimulation:confirmation of the midbrain nuclei as the swimming center”（“通过脑刺激对金鱼游动进行人工控制：确定了中脑核为游泳运动的神经中心”《神经科学快报》）。该文中使用小型电池作为控制装置的功能系统，但这大大加重了鱼需要承担的符合；同时该文中提出了使用悬浮泡沫的浮力来减少电池和器件带来的负重，但这也使得鱼游动大大受到了阻碍。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于压电材料的生物机器鱼水下供能系统，本发明减小了控制刺激系统的重量对鱼的负荷，同时可以长期对其进行控制，以解决控制系统负荷过高、持续时间短等问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于压电材料的生物机器鱼水下供能系统，包括：柔性材料基底、柔性压电材料、整流电路、传输电路和能量存储装置，所述柔性压电材料固定在柔性材料基底上，所述能量存储装置预先植入或固定在鱼的躯干或头部；其中所述柔性材料基底包括自由端和固定端，固定端固定在鱼的尾鳍或者背鳍上；当鱼摆动时，使得柔性压电材料随着柔性材料基底产生弯曲，从而形成电场，整流电路对得到的电流进行整流，整流后通过传输电路分段引出到工作电路或者能量存储装置，从而产生下一步的刺激信号。
优选的，所述的柔性材料基底固定在鱼的尾鳍上，之所以选用鱼的尾鳍是因为尾鳍的摆动力度最大，同时又能最小限度地限制鱼本身的活动。
优选的，所述的柔性材料基底呈片状或条状。
优选的，所述的柔性材料基底为聚酯薄膜、聚偏氟乙烯（PVDF）或者聚酰亚胺。
优选的，所述的柔性压电材料结构为片状或条状。
优选的，所述的柔性压电材料为薄膜材料，该材料薄膜层为单层或者多层。
优选的，所述的柔性压电材料为聚偏氟乙烯（PVDF）、PZT或ZnO材料。
优选的，所述的整流电路预先加工在柔性材料基底上。
本发明的工作原理为：利用柔性压电材料良好的特性，通过微加工工艺制备的柔性压电材料，将其固定在柔性材料基底上，从而形成一个具有良好能量采集功能的条状或者片状薄膜；将其一端固定在鱼的尾鳍上，当电刺激鱼脑或者肌肉使其产生运动的时候，鱼的尾鳍的摆动的能量传递到压电材料薄膜上；由于压电材料弯曲时，不同弯曲方向的产生的电场方向不同，则得到的电流方向也不同，所以将此处产生的电流通过预先加工在柔性基底上的整流电路进行整流，再将电流分别引入正负极，进而传输给能量通过传输电路供给前端的刺激电路或者传到能量存储装置里，从而控制生物机器鱼的下一步运动。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的供能系统具有重量轻、供能持续时间长等特点，同时可以减小控制供能系统的重量对鱼的负荷，从而实现对生物机器鱼系统长期、长距离控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的固定在尾鳍上的柔性材料基底和压电材料薄膜示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-2所示，本实施例所述的供能装置主要包括柔性材料PDMS基底3、固定在鱼的尾鳍1上的压电材料PVDF薄膜2、传输电路4、加工在基底3上的整流电路5和能量存储装置。其中压电材料PVDF薄膜2固定在柔性材料PDMS基底3上，并通过覆盖另一层柔性PDMS薄膜达到密封的目的；传输电路4和能量存储装置植入或固定在鱼的躯干或头部；在柔性材料PDMS基底3上预先加工整流电路5，通过整流，进而通过传输电路4传输给能量存储装置。
通过微加工工艺制备的压电材料PVDF薄膜2，将其固定在柔性材料PDMS基底3上，从而形成一个具有良好能量采集功能的条状或者片状薄膜。将其一端固定在鱼的尾鳍1上，当鱼的尾鳍1摆动的时候，使得压电材料PVDF薄膜2随着柔性材料PDMS基底3产生弯曲，从而形成电场。由于压电材料PVDF薄膜2的摆动方向不同，产生的电流方向也不同。整流电路5对得到的电流进行整流，再将电流通过传输电路4传输到外面的工作电路或者能量存储装置中，从而提供能量产生刺激信号，进而继续控制鱼进行下一步的活动。
本实施例可根据具体的应用要求，采用相应的尺寸。如下表1列出了整个压电能量采集器一组设计参数。
表1
Figure BDA00002325273500041
本实施例中，所述的柔性材料基底固定在鱼的尾鳍上，当然在其他实施例中，也可以固定在鱼的背鳍上，同样能够实现上述的目的。
本实施例中，所述的柔性材料基底可以是聚酯薄膜、聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜或者聚酰亚胺中的任一种。
本实施例中，所述的柔性材料基底呈片状或条状。
本实施例中，所述的柔性压电材料为聚偏氟乙烯（PVDF）、PZT或ZnO材料。
本实施例中，所述的柔性压电材料结构为片状或条状。
本实施例中，所述的柔性压电材料为薄膜材料，该材料薄膜层为单层或者多层。
本发明的供能系统具有重量轻、供能持续时间长等特点，同时可以减小控制供能系统的重量对鱼的负荷，从而实现对生物机器鱼系统长期、长距离控制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置，其特征在于，包括：柔性材料基底，柔性压电材料，整流电路，传输电路和能量存储装置，所述柔性压电材料固定在柔性材料基底上，所述传输电路和所述能量存储装置植入或固定在鱼的躯干或头部；其中所述柔性材料基底包括自由端和固定端，固定端固定在鱼的尾鳍或背鳍上；当鱼摆动时，使得柔性压电材料随着柔性材料基底产生弯曲，从而形成电场，整流电路对得到的电流进行整流，整流后通过传输电路分段引出到工作电路或者能量存储装置，从而产生下一步的刺激信号。
2.根据权利要求1所述的基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置，其特征在于，所述的柔性材料基底呈片状或条状。
3.根据权利要求1或2所述的基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置，其特征在于，所述柔性材料基底为聚酯薄膜、聚偏氟乙烯或者聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置，其特征在于，所述的柔性压电材料结构为片状或条状。
5.根据权利要求1或4所述的基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置，其特征在于，所述的柔性压电材料为薄膜材料，该材料薄膜层为单层或者多层。
6.根据权利要求5所述的基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置，其特征在于，所述的柔性压电材料为聚偏氟乙烯、PZT或ZnO材料。
7.根据权利要求1所述的基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置，其特征在于，所述的整流电路预先加工在柔性材料基底上。
CN201210422306.7A 2012-10-29 2012-10-29 基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置 Active CN102957339B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210422306.7A CN102957339B (zh) 2012-10-29 2012-10-29 基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210422306.7A CN102957339B (zh) 2012-10-29 2012-10-29 基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102957339A true CN102957339A (zh) 2013-03-06
CN102957339B CN102957339B (zh) 2015-05-20

Family

ID=47765694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210422306.7A Active CN102957339B (zh) 2012-10-29 2012-10-29 基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102957339B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103950527A (zh) * 2014-05-09 2014-07-30 兰州交通大学 仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构
CN109131798A (zh) * 2018-09-03 2019-01-04 哈尔滨工业大学 一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼
CN109167531A (zh) * 2018-08-08 2019-01-08 南京航空航天大学 一种基于流致振动的微型能量收集装置及其制备方法
CN110626132A (zh) * 2019-09-30 2019-12-31 安徽建筑大学 一种水陆两栖机器人
CN111661286A (zh) * 2020-06-24 2020-09-15 北方工业大学 机器鱼

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050134149A1 (en) * 2003-07-11 2005-06-23 Deng Ken K. Piezoelectric vibration energy harvesting device
CN101359882A (zh) * 2008-08-29 2009-02-04 清华大学 谐振频率可调的压电振动能量收集装置
US20090261689A1 (en) * 2008-04-22 2009-10-22 Honeywell International Inc. System and method for providing a piezoelectric electromagnetic hybrid vibrating energy harvester
CN101855821A (zh) * 2007-11-13 2010-10-06 速水浩平 电力产生单元及发光工具
CN202121523U (zh) * 2011-06-24 2012-01-18 齐冀 基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050134149A1 (en) * 2003-07-11 2005-06-23 Deng Ken K. Piezoelectric vibration energy harvesting device
CN101855821A (zh) * 2007-11-13 2010-10-06 速水浩平 电力产生单元及发光工具
US20090261689A1 (en) * 2008-04-22 2009-10-22 Honeywell International Inc. System and method for providing a piezoelectric electromagnetic hybrid vibrating energy harvester
CN101359882A (zh) * 2008-08-29 2009-02-04 清华大学 谐振频率可调的压电振动能量收集装置
CN202121523U (zh) * 2011-06-24 2012-01-18 齐冀 基于压电悬臂梁和超级电容的轨道振动能量回收系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
郭策等: "生物机器人的研究现状及其未来发展", 《机器人》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103950527A (zh) * 2014-05-09 2014-07-30 兰州交通大学 仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构
CN109167531A (zh) * 2018-08-08 2019-01-08 南京航空航天大学 一种基于流致振动的微型能量收集装置及其制备方法
CN109131798A (zh) * 2018-09-03 2019-01-04 哈尔滨工业大学 一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼
CN109131798B (zh) * 2018-09-03 2019-07-23 哈尔滨工业大学 一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼
CN110626132A (zh) * 2019-09-30 2019-12-31 安徽建筑大学 一种水陆两栖机器人
CN111661286A (zh) * 2020-06-24 2020-09-15 北方工业大学 机器鱼
CN111661286B (zh) * 2020-06-24 2021-11-30 北方工业大学 机器鱼

Also Published As

Publication number Publication date
CN102957339B (zh) 2015-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102957339B (zh) 基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置
CN103944443B (zh) 一种级联结构发电机
CN102556310B (zh) 一种仿生鱼的驱动与控制方法及仿生鱼
CN102923286A (zh) 一种基于智能材料ipmc的仿蝠鲼水下航行器
WO2009078942A3 (en) Defibrillation shock output circuit
CN206867707U (zh) 一种仿生机器鱼
CN101861836B (zh) 一种无创伤老鼠机器人运动控制的方法
CN107284636A (zh) 一种磁力驱动微型水下机器人及其控制方法
CN110658753A (zh) 一种基于电刺激的昆虫飞行行为控制的电路装置
CN204179918U (zh) 一种便携式高效率动能发电装置
CN206375731U (zh) 一种风能悬浮式超声波生态除藻装置
CN211293676U (zh) 一种基于电刺激的昆虫飞行行为控制的电路装置
CN203723237U (zh) 一种宠物训练装置
CN206200969U (zh) 一种青少年陆空两用示教机器人
CN209175758U (zh) 一种儿童学习用智能机器人
CN103142205A (zh) 一种胶囊胃镜图像采集方法
CN203748423U (zh) 无线遥控训狗器
CN203748425U (zh) 一种用于训狗器的发射器
CN203072757U (zh) 便携式电子驱蚊器
CN203748426U (zh) 一种训狗器
CN202460114U (zh) 一种光控动物玩具
CN107298029A (zh) 一种基于功能材料的agv自动无线充电系统
CN110127040A (zh) 一种利用无人机旋翼转动发电的装置
CN109835488A (zh) 一种利用太阳能充电的无人机
CN203575470U (zh) 基于仿生原理的蝇虫驱赶装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant