CN109131798B - 一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿生鱼，更具体的说是一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼,包括鱼身、微控制器、动力电源、外导线和内导线，微控制器通过神经网络、模糊控制等智能控制算法来控制动力电源在不同环境下通过内导线和外导线的电压大小，可实现在水下通过微控制器控制鱼身周围电场发生变化利用电解质溶液中电敏感水凝胶在电场刺激下，水凝胶会发生体积或者形状变化，并且变化为可逆变化，使鱼身如同鳗鱼一样运动，实现在水中柔性推进，本装置结构简单，此外采用电敏感水凝胶作为鱼身材料，不仅是为了易于控制运动，水凝胶材料能够实现声隐身；基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼主体部分由3D打印一次成型，可以快速实现小批量生产。

Description

一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼
技术领域
本发明涉及一种仿生鱼，更具体的说是一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼。
背景技术
伴随着人类文明的发展，可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭，越来越多的科学家将目光转向了海洋。具有海洋勘测、海洋探索、海洋救捞、海底管道检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人，已成为探索海洋、开发海洋和防卫海洋的重要工具。
传统的螺旋桨推进式水下机器人，存在结构笨重、可靠性低、噪音大、抗干扰能力差等缺点。近年来，模仿鱼类的游动推进模式，研制出高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼，已经成为研究人员追求的新目标。随着机电一体化技术、计算机技术、流体力学和仿生学等相关学科的发展，研究人员已研制出了多种仿生机器鱼。现有的仿生机器鱼大多采用多种机械零件组装的方式实现，已经可以模仿鱼类的多种运动模式，但所需机械零件较多，由MIT设计制作的第一台机器鱼，组装零件更是达到了惊人的2843个，这无疑在加工装配方面极为困难。而且目前的仿生鱼难以完全实现柔性推进、推进效率低、机动性和稳定性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，可以解决现有的仿生鱼无法实现柔性推进，结构复杂，噪音大且不具备声隐身的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，包括鱼身、微控制器、动力电源、外导线和内导线，所述鱼身内部设置有空腔和微细管，鱼身的外部设置有微细导线走线通道；
微控制器封装在防水材料内，微控制器固定连接在鱼身的空腔内；
所述动力电源固定连接在鱼身的中部，微控制器通过内导线与动力电源连接，内导线设置在鱼身内部设置的空腔和微细管内，外导线放置在鱼身的外部设置的微细导线走线通道内，外导线与动力电源连接，微控制器控制动力电源在不同环境下通过内导线和外导线的电压大小。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，所述鱼身是由3D打印技术以采用共聚方法制成的电敏感水凝胶为材料一次成型得到，鱼身的材料为电敏感水凝胶，电敏感水凝胶由聚电解质构成。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，所述动力电源包括八节微型类纽扣电池。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，所述微控制器搭载的是袖珍型微控制器，
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，所述动力电源与鱼身一起成型，动力电源在3D打印过程中植入。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，所述外导线和内导线均与鱼身一起成型，外导线和内导线均在3D打印过程中植入。
本发明一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼的有益效果为：
本发明一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，可实现在水下通过微控制器控制鱼身周围电场发生变化利用电解质溶液中电敏感水凝胶在电场刺激下，水凝胶会发生体积或者形状变化，并且变化为可逆变化，使鱼身如同鳗鱼一样运动，实现在水中柔性推进，本装置结构简单，此外采用电敏感水凝胶作为鱼身材料，不仅是为了易于控制运动，水凝胶材料能够实现声隐身；基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼主体部分由3D打印一次成型，可以快速实现小批量生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼整体结构示意图；
图中：鱼身1；微控制器2；动力电源3；外导线4；内导线5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1说明本实施方式，一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，包括鱼身1、微控制器2、动力电源3、外导线4和内导线5，可实现在水下通过微控制器2控制鱼身1周围电场发生变化利用电解质溶液中电敏感水凝胶在电场刺激下，水凝胶会发生体积或者形状变化，并且变化为可逆变化，使鱼身1如同鳗鱼一样运动，实现在水中柔性推进，本装置结构简单，此外采用电敏感水凝胶作为鱼身材料，不仅是为了易于控制运动，水凝胶材料能够实现声隐身；基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼主体部分由3D打印一次成型，可以快速实现小批量生产；
所述鱼身1内部设置有空腔和微细管，鱼身1的外部设置有微细导线走线通道；
所述微控制器2封装在防水材料内，微控制器2固定连接在鱼身1的空腔内；微控制器2搭载的是Seeed Studio BBC micro:bit袖珍型微控制器，通过人工智能算法，根据周围环境和指令要求用PWM技术控制动力电源放电电压、通过控制通电回路间歇性通断改变放电模式，从而改变鱼身1周围电场强度，电场强度为零时，鱼身1保持弯曲，电场强度不为零时，鱼身1弯曲度减小，电场强度越大，鱼身1越趋于笔直，如此，鱼身1便会像鱼一样弯曲伸直，柔性推进。
所述动力电源3固定连接在鱼身1的中部，微控制器2通过内导线5与动力电源3连接，内导线5设置在鱼身1内部设置的空腔和微细管内，外导线4放置在鱼身1的外部设置的微细导线走线通道内，外导线4与动力电源3连接，微控制器2控制动力电源3在不同环境下通过内导线5和外导线4的电压大小。
所述鱼身1是由3D打印技术以采用共聚方法制成的电敏感水凝胶为材料一次成型得到，鱼身1的材料为电敏感水凝胶，电敏感水凝胶由聚电解质构成；打印机采用Stratasys公司生产的PolyJet型打印机，所述声隐身能力，是由于水凝胶材料声阻抗与水基本一致，基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼90％以上的部分均为水凝胶材料，故基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼具备声隐身能力。
所述微控制器2搭载的是袖珍型微控制器。
所述动力电源3包括八节微型类纽扣电池。
所述动力电源3与鱼身1一起成型，动力电源3在3D打印过程中植入。
所述外导线4和内导线5均与鱼身1一起成型，外导线4和内导线5均在3D打印过程中植入。
本发明的一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，其工作原理为：
使用时将本装置放置在电解质溶液中，通过放置在鱼身1内的微控制器2控制动力电源3在不同环境下通过内导线5和外导线4的电压大小，微控制器2搭载的是Seeed StudioBBC micro:bit袖珍型微控制器，通过人工智能算法，根据周围环境和指令要求用PWM技术控制动力电源3放电电压、通过控制通电回路间歇性通断改变放电模式，内导线5和外导线4的电压大小改变时将会使鱼身1周围的磁场发生变化，利用电解质溶液中电敏感水凝胶在电场刺激下，水凝胶会发生体积或者形状变化，并且变化为可逆变化，电场强度为零时，鱼身1保持弯曲，电场强度不为零时，鱼身1弯曲度减小，电场强度越大，鱼身1越趋于笔直，如此，鱼身1便会像鱼一样弯曲伸直，柔性推进使鱼身1如同鳗鱼一样运动；所述声隐身能力，是由于水凝胶材料声阻抗与水基本一致，基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼90％以上的部分均为水凝胶材料，故基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼具备声隐身能力。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，包括鱼身(1)、微控制器(2)、动力电源(3)、外导线(4)和内导线(5)，其特征在于：所述鱼身(1)内部设置有空腔和微细管，鱼身(1)的外部设置有微细导线走线通道；
微控制器(2)封装在防水材料内，微控制器(2)固定连接在鱼身(1)的空腔内；
所述动力电源(3)固定连接在鱼身(1)的中部，微控制器(2)通过内导线(5)与动力电源(3)连接，内导线(5)设置在鱼身(1)内部设置的空腔和微细管内，外导线(4)放置在鱼身(1)的外部设置的微细导线走线通道内，外导线(4)与动力电源(3)连接，微控制器(2)控制动力电源(3)在不同环境下通过内导线(5)和外导线(4)的电压大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，其特征在于：所述鱼身(1)是由3D打印技术以采用共聚方法制成的电敏感水凝胶为材料一次成型得到，鱼身(1)的材料为电敏感水凝胶，电敏感水凝胶由聚电解质构成。
3.根据权利要求2所述的一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，其特征在于：所述微控制器(2)搭载的是袖珍型控制器。
4.根据权利要求3所述的一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，其特征在于：所述动力电源(3)包括八节微型类纽扣电池。
5.根据权利要求4所述的一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，其特征在于：所述动力电源(3)与鱼身(1)一起成型，动力电源(3)在3D打印过程中植入。
6.根据权利要求2至5任一项所述的一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼，其特征在于：所述外导线(4)和内导线(5)均与鱼身(1)一起成型，外导线(4)和内导线(5)均在3D打印过程中植入。
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