CN112180116A - 一体化ipmc感知结构的柔性仿生侧线传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，包括一体化IPMC感知结构、柔性上基底膜、柔性下基底膜、固定圆台、感觉顶。一体化IPMC感知结构的底部以夹层结构形式被贴附在柔性上基底膜和柔性下基底膜之间，一体化IPMC感知结构的垂直纤毛状结构的上部分和下部分分别被所述感觉顶包覆连接和固定圆台中心通孔套穿到底部，且与一体化IPMC感知结构的底部感知单元的表面固定连接。本发明采用综合性能较优的智能材料IPMC作为感知结构，工艺简单易行，还能实现流速和流向的感知，方便任意贴附于不同形状表面的水下航行器上，增强了对复杂形状表面的海洋装备的适应性和实用性。

Description

一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器

技术领域

本发明涉及水下传感器领域，特别是涉及一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器。

背景技术

近年来，随着国内外对经略海洋力度的加大，迫切需要发展军民两用的新型海洋装备，水下仿生机器人逐渐成为科学研究热点之一，但其基于传统声呐或视觉系统感知时非常容易受到环境影响，存在探测盲区等，因此，开发新型水下传感器迫在眉睫。侧线是鱼类和幼年两栖动物特有的一类感觉器官，能够感知复杂生物环境中的水流等动态变化，通过解析流场刺激信息的变化对周围环境和目标进行感知，对其生殖、捕食、避敌、集群和洄游等行为有着其重要的意义。目前受侧线器官流动感知能力的启发，许多研究者基于不同的传感机制，包括光学、压阻、电容、压电等，开发了各类仿生侧线传感器。这些传感器均有各自的优点，也存在着一定的不足，比如光学传感器灵敏度高，具有非接触和非破坏性测量等优势，但容易受到海水浑浊度、光线等的影响；压阻的分辨率高、频率效应好，但由于固有的交叉温度引起的热漂移对传感器的精度和灵敏度有很大的影响；电容式传感器具有功耗低、温度稳定性好、动态响应能力强等优点，但输出阻抗高，边缘效应的存在对传感器性能影响较大，灵敏度降低；压电式传感器具有信噪比高、结构简单，缺点是电荷存在泄漏和需要包装防潮才能使用等。虽然仿生侧线越来越受到人们的关注，但由于受到制造工艺、材料缺陷或结构设计等多种因素的限制，仿生侧线的研究仍处于起步阶段。

离子聚合物-金属复合材料(ionic polymer–metal composite，IPMC)是一种典型的柔性智能材料，由聚合物基膜和外部两层电极构成，机械变形促使其内部离子的不平衡迁移从而产生相应的电压响应，其离子传感机理和鱼类侧线感知机理非常相似，并且其内部含有水分子等，非常适合应用于水下环境。IPMC还具有质量轻、柔韧性好、易于一体化成型等独特优点，针对水下环境而言，其综合性能较好，在仿生侧线领域中具有一定的应用潜力。目前基于IPMC的仿生侧线传感器设计均为片状结构，需要通过多片组装才能实现流速流向检测，另外，其结构为刚性底座结构，无法更好地安装在复杂形状表面的海洋装备上，因此设计一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器对于水下装备探测研究具有一定的积极意义。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种结构及制作简单、适应于水下环境、能够感知流速流向，且适合安装在复杂表面海洋装备上的柔性仿生侧线传感器。

为实现上述目的，本发明提出一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，包括一体化IPMC感知单元结构、柔性上基底膜、柔性下基底膜、固定圆台、感觉顶。所述一体化IPMC感知结构的底部以夹层结构形式被贴附在所述柔性上基底膜和所述柔性下基底膜之间，所述固定圆台套穿过所述一体化IPMC感知结构的上部垂直纤毛状结构，并且所述固定圆台底面与所述一体化IPMC感知结构的底部IPMC感知单元上表面通过强力胶固定连接，所述一体化IPMC感知结构的上部垂直纤毛状结构沿顶端往下六分之五部分被所述感觉顶包覆连接。

所述一体化IPMC感知结构包括第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、基体、底部内电极、底部外电极，所述柔性上基底膜包括第一引出电极、第二引出电极、第三引出电极、第四引出电极、柔性上基底膜通孔，以及所述柔性下基底膜包括底部内引出电极、底部外引出电极、柔性下基体膜通孔。所述第一引出电极、第二引出电极、第三引出电极、第四引出电极和所述底部内引出电极、底部外引出电极分别与所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、底部内电极、底部外电极接触对齐，且所述第一电极和所述第三电极组成第一组输出传感信号，所述第二电极和所述第四电极组成第二组输出传感信号，所述底部内电极和底部外电极组成第三组输出传感信号，所述所有引出电极均用于连接信号处理电路以收集感应信号，通过信号分析就能得到相应的流速信息。

进一步地，所述基体通过铸膜法或3D打印一体化制备，且材料可为Nafion、Flemion等；所述基体的上部分垂直纤毛状结构较优选择圆柱形，还可为方形、圆台形等；所述基体的下部分结构可为圆形，方形、梯形等。

进一步地，所述固定圆台较优选择具有中心通孔的圆台形，其中心通孔直径略大于所述一体化IPMC感知结构的垂直纤毛的尺寸，且圆台上平面直径不小于垂直纤毛直径的一点五倍，圆台下平面直径在纤毛直径的二倍和三倍之间。所述一体化IPMC感知结构的垂直纤毛结构直径和圆台结构的尺寸远远小于所述一体化IPMC感知结构的底部IPMC感知单元以及所述柔性上基底膜和柔性下基底膜的尺寸。

进一步地，所述一体化IPMC感知结构的电极较优选择四电极，还可以是六，八，十电极结构等。

进一步地，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、底部内电极、底部外电极采用化学镀结合掩膜法制备，且材料可为钯电极、铂电极、金电极、银电极、铜电极或其复合电极等。

进一步地，所述第一电极、第二电极、第三电极第四电极成圆周阵列均匀分布。

进一步地，所述第一引出电极、第二引出电极、第三引出电极、第四引出电极、底部内引出电极、底部外引出电极为导电胶带、离子溅射电极或喷镀电极等。

进一步地，所述柔性上基底膜和所述柔性下基底膜采用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、液晶聚合物(Liquid crystal polymer，LCP)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)等柔性膜材料，且形状可为方形、圆形等任意形状。

进一步地，所述柔性上基底膜通孔直径和所述柔性下基底膜通孔直径应为所述一体化IPMC感知结构底部结构直径的四分之三～三分之二。

进一步地，所述仿生敏感顶通过3D打印等工艺将软硅橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等包覆在所述一体化IPMC感知结构的顶部垂直纤毛杆结构上。

本发明所提供的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，与现有设计相比，具有如下优点：

(1)本发明采用综合性能较优的智能材料IPMC作为感知结构，无需复杂的防水封装处理就能够直接工作于水环境中，且水下工作安全；

(2)本发明采用一体化设计的IPMC感知结构，不仅制备工艺简单，还能实现流速和流向的感知。

(3)本发明通过柔韧性较好的IPMC感知结构与柔性基底膜结合，传感器可方便地贴附于不同形状表面的水下航行器上，增强了对复杂形状表面的海洋装备的适应性。

附图说明

图1是本发明所提供的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器三维立体图和装配爆炸图

图2是本发明所提供的一体化IPMC感知结构三维结构图

图3是本发明所提供的一体化IPMC感知结构仰视图

图4是本发明所提供的一体化IPMC感知结构底部结构俯视图

图5是本发明所提供的柔性下基膜俯视图

图6是本发明所提供的柔性上基膜仰视图

图7是本发明所提供的传感器的流速流向感知原理图：(a)垂直IPMC纤毛感知结构两组传感输出信号示意图的俯视图；(b)底部IPMC感知单元传感输出信号示意图的上视图；(c)一体化IPMC感知单元感知水流流速流向的响应机理

图中标号名称：

1、一体化IPMC感知结构，1-1、第一电极，1-2、第二电极，1-3、第三电极，1-4、第四电极，1-5、基体，1-6、底部内电极，1-7、底部外电极，2、柔性上基体膜，2-1、第一引出电极，2-2、第二引出电极，2-3、第三引出电极，2-4、第四引出电极，2-5、柔性上基膜通孔，3、柔性下基体膜，3-1、底部外引出电极，3-2、底部内引出电极，3-3、柔性下基膜通孔，4、固定圆台，5、感觉顶

具体实施方式

本发明采用一体化IPMC感知结构设计，其底部与柔性膜相结合，增强了在具有复杂表面水下航行器上的适用性。将该柔性传感器安装在水下航行器表面上时，传感器周围的水流流动时会引起传感器变形并产生相应的电压响应，通过引出电极与信号接收装置连接可采集到传感电压信号，最后通过前期的传感器标定校准可得到对应的流速信息。

本发明提供一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，采用综合性能较优的IPMC智能材料以及一体化IPMC感知结构设计，不仅可直接用于水环境中，制备简单，还能实现多维度感知。最重要的是通过柔性基底膜和柔性IPMC感知单元结构的结合，可实现在海洋装备复杂表面上的安装，实用性以及灵活性得到进一步增强。

为使本发明的目的、技术方案和优点全面、清晰的展现出来，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。需要提前说明的是，所给出的示意性实施方式及其附图仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如图1所示，一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，包括一体化IPMC感知单元结构1、柔性上基底膜2、柔性下基底膜3、固定圆台4，感觉顶5。所述一体化IPMC感知结构1的底部以夹层结构形式被贴附在所述柔性上基底膜2和所述柔性下基底膜3之间，所述固定圆台4套穿过所述一体化IPMC感知结构1的上部垂直纤毛状结构，并且所述固定圆台4的底面和上端面中心通孔周围小缝隙处分别与所述一体化IPMC感知结构1的底部IPMC感知单元上表面和与垂直纤毛结构连接的部分通过强力胶固定连接。该固定圆台选用硬质材料，可通过3D打印制造，其弹性模量远大于IPMC感知单元结构和敏感顶结构，主要目的是为了保证当纤毛结构受到外部水流扰动产生偏转时，固定圆台包覆的垂直纤毛部分不会发生偏转，因此一体化IPMC感知结构的底部感知单元结构几乎不会受到垂直纤毛结构偏转的影响而产生一定的内应力，只有当其受到垂直压力的作用时，其内部才会产生一定的应变，从而产生感应电压。所述一体化IPMC感知结构1的上部垂直纤毛状结构沿顶端往下六分之五部分被所述感觉顶包覆连接。

图2至图6则更加详细地展现了该仿生侧线结构的设计，即所述一体化IPMC感知结构包括第一电极1-1、第二电极1-2、第三电极1-3、第四电极1-4、基体1-5、底部内电极1-6、底部外电极1-7，所述柔性上基底膜2包括第一引出电极2-1、第二引出电极2-2、第三引出电极2-3、第四引出电极2-4、柔性上基底膜通孔2-5，以及所述柔性下基底膜3包括底部内引出电极3-1、底部外引出电极3-2、柔性下基体膜通孔3-3。柔性基底膜的通孔结构设计一方面是为了便于将IPMC感知单元安装在所述柔性上基底膜2和所述柔性下基底膜3之间，另一方面是为所述一体化IPMC感知结构的底部IPMC感知单元的底部与柔性基底膜之间留出一定的距离，当其受到压力时，底部IPMC感知单元就会向下产生更大的形变，有利于增强其灵敏度。

所述第一引出电极2-1、第二引出电极2-2、第三引出电极2-3、第四引出电极2-4和所述底部内引出电极3-1、底部外引出电极3-2分别与所述第一引出电极2-1、第二引出电极2-2、第三引出电极2-3、第四引出电极2-4、底部内电极1-6、底部外电极1-7接触对齐，且所述第一电极1-1和所述第三电极1-3组成第一组输出传感信号V1，所述第二电极1-2和所述第四电极1-4组成第二组输出传感信号V2，所述底部内电极1-6和底部外电极1-7组成第三组输出传感信号V3，在本实施案例中结合图7，首先需要提前对传感器的传感输出信号大小与流速之间的关系进行标定。在实际应用时，当传感器受到如图所示水流方向的流体压力扰动时，该水流方向一定可以分解为垂直于传感器侧面的水流方向分量1和垂直于传感器顶部的水流方向分量2，此时感觉顶结构会牵动垂直IPMC纤毛感知结构朝着水流流动方向发生偏转并产生与之对应的两组传感输出信号+V1和+V2，可以通过V1和V2输出的正负信号和具体数值计算出在垂直于纤毛结构0～360°方向上该水流方向分量1的流速大小和方向；当传感器受到水流方向分量2的流体压力扰动时，感觉顶结构和垂直IPMC纤毛感知结构会对底部IPMC感知单元施加一定的压力，从而产生与之对应的感知电压+V3；最后，可通过V1，V2和V3的方向和具体数值大小组合计算判断出水流速度和方向。

具体地，通过设计对应结构的模具，将所述基体1-5通过铸膜法或3D打印一体化制备，制备工艺简单高效，材料通常选择Nafion、Flemion等，因为这种结构是阳离子交换膜，有利于后续化学镀的进行；所述基体1-5的上部分垂直纤毛状结构较优选择圆柱形，可以在均匀的角度上感知流速大小，也还可为方形、圆台形等，本实施案例选择纤毛长度为30mm；所述基体的下部分结构可为圆形，方形、梯形等。

具体地，所述固定圆台4较优选择具有中心通孔的圆台形，其中心通孔直径略大于所述一体化IPMC感知结构的垂直纤毛的尺寸，且圆台上平面直径不小于垂直纤毛直径的一点五倍，圆台下平面直径在纤毛直径的二倍和三倍之间。另外，总体来说，所述一体化IPMC感知结构1的垂直纤毛结构直径和圆台结构的尺寸远远小于所述一体化IPMC感知结构1的底部IPMC感知单元以及所述柔性上基底膜2和柔性下基底膜3的尺寸。

具体地，所述一体化IPMC感知结构1的电极较优选择四电极，通过两两相对的电极各形成一组传感器结构，分别作为正负电极导出信号，可以更好地感知流速大小。也可以六，八，十电极结构等。

具体地，所述第一电极1-1、第二电极1-2、第三电极1-3、第四电极1-4、底部内电极1-6、底部外电极1-7采用化学镀结合掩膜法制备，通过掩膜法可以获得所需形状的电极结构，一体化成型，且材料可选择钯电极、铂电极、金电极、银电极、铜电极或其复合电极等。

具体地，所述第一电极1-1、第二电极1-2、第三电极1-3、第四电极1-4成圆周阵列均匀分布。

具体地，所述第一引出电极2-1、第二引出电极2-2、第三引出电极2-3、第四引出电极2-4、底部内引出电极3-1、底部外引出电极3-2为导电胶带、离子溅射电极或喷镀电极等，尤其是第一种方法操作简单，成本较低。引出电极主要和IPMC感知单元贴合导通，并与采集电路相结合，引出感知信号。

具体地，所述柔性上基底膜2和所述柔性下基底膜3选用性能较优的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、液晶聚合物(Liquid crystal polymer，LCP)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)等柔性膜材料，这几种柔性薄膜均具有较低的成本，并且对化学物质具有较强的抵抗力，在水环境中较为适合。另外，且形状可为方形、圆形等任意形状，还可以根据水下航行器的表面结构进行设计，因为该柔性薄膜可任意弯曲贴附在水下航行器的表面，灵活性较强。

具体地，为了更好地将所述一体化IPMC感知结构固定在柔性膜之间，又能有效增强其底部感知结构的灵敏度，将所述柔性上基底膜通孔2-5的直径和所述柔性下基底膜的通孔3-3的直径设计为所述一体化IPMC感知结构1的底部结构直径的四分之三～三分之二。

具体地，所述仿生敏感顶5通过3D打印等工艺将软硅橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等柔性材料包覆在所述一体化IPMC感知结构的顶部垂直纤毛结构上，当其在水中受到扰动时，能够增强垂直纤毛受到的作用力，有效增加其与水流的相互作用力，从而增强灵敏度。

以上所述的具体实施例仅为对本发明的技术思想进行展示和说明，不能用于限定本发明，凡在本发明的设计思想和原则之内，在技术方案上所做的任何修改、替换及改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，包括一体化IPMC感知单元结构、柔性上基底膜、柔性下基底膜、固定圆台、感觉顶，其特征在于，一体化IPMC感知结构的底部以夹层结构形式被贴附在柔性上基底膜和柔性下基底膜之间，固定圆台套穿过所述一体化IPMC感知结构的上部垂直纤毛状结构，并且所述固定圆台底面与所述一体化IPMC感知结构的底部IPMC感知单元上表面通过强力胶固定连接，一体化IPMC感知结构的上部垂直纤毛状结构沿顶端往下六分之五部分被所述感觉顶包覆连接。

2.根据权利要求1所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，一体化IPMC感知结构包括第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、基体、底部内电极、底部外电极，柔性上基底膜包括第一引出电极、第二引出电极、第三引出电极、第四引出电极、柔性上基底膜通孔，以及柔性下基底膜包括底部内引出电极、底部外引出电极、柔性下基体膜通孔，第一引出电极、第二引出电极、第三引出电极、第四引出电极和所述底部内引出电极、底部外引出电极分别与第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、底部内电极、底部外电极接触对齐，且第一电极和第三电极组成第一组输出传感信号，第二电极和第四电极组成第二组输出传感信号，底部内电极和底部外电极组成第三组输出传感信号，所有引出电极均用于连接信号处理电路以收集感应信号，通过信号分析就能得到相应的流速信息。

3.根据权利要求2所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，基体通过铸膜法或3D打印一体化制备，且材料为Nafion、Flemion；基体的上部分垂直纤毛状结构较优选择圆柱形，或为方形、圆台形；基体的下部分结构为圆形，方形、梯形。

4.根据权利要求1所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，所述固定圆台选择具有中心通孔的圆台形，其中心通孔直径略大于所述一体化IPMC感知结构的垂直纤毛的尺寸，且圆台上平面直径不小于垂直纤毛直径的一点五倍，圆台下平面直径在纤毛直径的二倍和三倍之间，所述一体化IPMC感知结构的垂直纤毛结构直径和圆台结构的尺寸远远小于所述一体化IPMC感知结构的底部IPMC感知单元以及所述柔性上基底膜和柔性下基底膜的尺寸。

5.根据权利要求1所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，一体化IPMC感知结构的电极择四电极，或六，八，十电极结构。

6.根据权利要求1所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、底部内电极、底部外电极采用化学镀结合掩膜法制备，且材料为钯电极、铂电极、金电极、银电极、铜电极或其复合电极，第一电极、第二电极、第三电极第四电极成圆周阵列均匀分布。

7.根据权利要求1所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，所述第一引出电极、第二引出电极、第三引出电极、第四引出电极、底部内引出电极、底部外引出电极为导电胶带、离子溅射电极或喷镀电极。

8.根据权利要求1所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，柔性上基底膜和柔性下基底膜采用聚二甲基硅氧烷Polydimethylsiloxane,PDMS、液晶聚合物Liquid crystal polymer，LCP、聚酰亚胺Polyimide，PI柔性膜材料，且形状为方形、圆形等任意形状。

9.根据权利要求1所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，柔性上基底膜通孔直径和柔性下基底膜通孔直径应为一体化IPMC感知结构底部结构直径的四分之三～三分之二。

10.根据权利要求1所述的一体化IPMC感知结构的柔性仿生侧线传感器，其特征在于，所述仿生敏感顶通过3D打印等工艺将软硅橡胶、聚二甲基硅氧烷PDMS包覆在所述一体化IPMC感知结构的顶部垂直纤毛杆结构上。

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