CN112183519B - 一种基于4d打印的仿神经视觉传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿神经视觉传感器，属于增材制造及仿生相关技术领域，通过使用4D打印方法将传感器电路整体制备而成，包括光敏二极管、电致形状记忆聚合物、电源和导线；电源的正极连接于光敏二极管的阳极；光敏二极管的阴极通过导线连接于电致形状记忆聚合物的一端；电致形状记忆聚合物的另一端通过导线连接于电源的负极；光敏二极管用于接收光信号，进而自身阻值发生变化以使整个电路的电流发生变化；电致形状记忆聚合物用于感知电流变化，后发生机械形变，以使光信号转变为机械信号。发明通过4D打印技术直接制备成型的传感器的全部零部件，实现了传感器的一体化成型，该传感器能更好地应用于自动控制、软体机器人等诸多领域当中。

Description

一种基于4D打印的仿神经视觉传感器
技术领域
本发明属于增材制造及仿生相关技术领域，更具体地，涉及一种基于4D打印的仿神经视觉传感器。
背景技术
传统的帧相机(frame-based camera)以预定的帧速率重复扫描整个场景，并按照固定间隔输出静态帧序列，与场景中实际观察到的任何目标活动无关。因此，该类相机的反应速度通常受到帧频限制，并且输出的连续视频帧具有高度冗余性，从而造成存储空间、计算能力和时间上的浪费。受人类视网膜原理的启发，研究者们设计出一种神经形态视觉传感器(NVS，neuromorphic vision sensor)。与传统相机以固定帧速率连续输出整张图像不同，NVS相机仅在它捕获到场景中的瞬态变化时，才会产生事件(event)输出，这类相机也被称作事件相机(event-based camera)。
目前，利用4D打印技术制备视觉传感器的案例在国内外还鲜有报道，本领域亟待提出一种仿神经视觉传感器，结合4D打印技术，将整个电路一体化成形出来。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于4D打印的仿神经视觉传感器，其目的在于使用4D打印技术将传感器整体一体成型，由此解决结构复杂的传感器制备困难的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种仿神经视觉传感器，该传感器包括：光敏二极管、电致形状记忆聚合物、电源和导线；
所述电源的正极连接于所述光敏二极管的阳极；所述光敏二极管的阴极通过导线连接于所述电致形状记忆聚合物的一端；所述电致形状记忆聚合物的另一端通过导线连接于所述电源的负极；
所述光敏二极管用于接收光信号，进而自身阻值发生变化以使整个电路的电流发生变化；所述电致形状记忆聚合物用于感知电流变化后发生机械形变，以使所述光信号转变为机械信号；
所述传感器通过4D打印方法一体成型。
优选地，所述光敏二极管是将光信号转换为电信号的半导体器件，其对外界光强变化反应灵敏。
优选地，所采用的4D打印方法为熔融沉积成型方法，所采用的4D打印方法为熔融沉积成型方法，熔融沉积成型整个电路包括光敏二极管、电致形状记忆聚合物、电源以及若干导线。
优选地，所述电致形状记忆聚合物为具有填充材料的形状记忆聚氨酯复合材料。
优选地，所述填充材料为碳纳米管、碳纤维或炭黑。
优选地，所述电致形状记忆聚合物为具有填充材料的形状记忆聚苯乙烯复合材料。
优选地，所述填充材料为炭黑或短切碳纤维。
优选地，所述电源为锂聚合物电池。
优选地，所述导线为复合型导电性高分子材料制成，包括基体部分和导电部分；
所述基体部分为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、环氧树脂或酚醛树脂；
所述导电部分为炭黑、碳纳米管或石墨烯。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过4D打印技术直接制备成型的传感器的全部零部件，实现了传感器的一体化成型，并且可以实现对任意复杂结构的传感器进行成型；
2、本发明的传感器通过设置光敏二极管和电致形状记忆聚合物，可以将光信号先转换为电信号最终转换为机械信号，实现了对光的传感执行一体化设计；
3、本发明使用4D打印技术制备的传感器可以应用于自动控制、软体机器人等诸多领域，具有广泛的应用范围。
附图说明
图1是本发明提供的4D打印技术成型的仿神经视觉传感器的电路示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为光敏二极管；2为电致形状记忆聚合物；3为电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明4D打印技术成型的仿神经视觉传感器的电路示意图。如图1所示，本发明提出了一种仿神经视觉传感器，包括光敏二极管1、电致形状记忆聚合物2、电源3和若干导线。所述电源3的正极通过导线连接于所述光敏二极管1的阳极，所述光敏二极管1的阴极通过导线连接于所述电致形状记忆聚合物2的一端，所述电致形状记忆聚合物2的另一端通过导线连接于所述电源3的负极。
更进一步的说明，所述光敏二极管是将光信号转换为电信号的半导体器件，光敏二极管是对外界光强变化反应敏感。
具体的，在传感器通电的状态下，所述光敏二极管接收外界的光信号，由于光敏二极管在光信号的作用下自身阻值发生变化从而导致在电源电压不变的情况下整个传感器电路的电流发生变化。所述电致形状记忆聚合物可以感知电路中电流的变化，通过变化电流产生的热量使所述电致形状记忆聚合物自身发生机械形变，并将变化电流产生的电信号转变为机械信号。
更进一步的说明，本发明的仿神经视觉传感器制备方法所采用的4D打印方法，具体为熔融沉积成型方法，即熔融后层层叠加整个电路包括光敏二极管、电致形状记忆聚合物、电源以及若干导线。相比于传统制造方法，该方法可以成型任意具有复杂结构的包括传感器在内的各种零件。
可选地，所述电致形状记忆聚合物2为具有碳纳米管、碳纤维或炭黑填充的形状记忆聚氨酯复合材料。
可选地，所述电致形状记忆聚合物还可以为具有炭黑或短切碳纤维填充的形状记忆聚苯乙烯复合材料。
更进一步的说明，所述电源3为锂聚合物电池，所述导线为复合型导电性高分子材料导线，其中所述导线的基体材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、酚醛树脂等，所述导线的导电填料为炭黑、碳纳米管、石墨烯等。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示，一种基于4D打印的仿神经视觉传感器，由光敏二极管1、电致形状记忆聚合物2、电源3以及若干导线构成。
所述4D打印方法是采用熔融沉积成型整个电路，包括光敏二极管、电致形状记忆聚合物、电源以及若干导线，实现传感器一体化成型。
所述光敏二极管1是将光信号变成电信号的二极管器件，其对外界光强变化反应灵敏。
进一步，所述电致形状记忆聚合物2是碳纳米管填充的形状记忆聚氨酯复合材料。
进一步的，电源3是锂聚合物电池，导线为复合型导电性高分子导线，其中基体材料为聚乙烯，导电填料为炭黑。
实施例2
如图1所示，一种基于4D打印的仿神经视觉传感器，由光敏二极管1、电致形状记忆聚合物2、电源3以及若干导线构成。
所述4D打印方法是采用熔融沉积成型整个电路，包括光敏二极管、电致形状记忆聚合物、电源以及若干导线，实现传感器一体化成型。
所述光敏二极管1是将光信号变成电信号的二极管器件，其对外界光强变化反应灵敏。
进一步，所述电致形状记忆聚合物2是碳纤维填充的形状记忆聚氨酯复合材料。
进一步的，电源是锂聚合物电池，导线为复合型导电性高分子材料导线，其中基体材料为聚丙烯，导电填料为碳纳米管。
实施例3
如图1所示，一种基于4D打印的仿神经视觉传感器，由光敏二极管1、电致形状记忆聚合物2、电源3以及若干导线构成。
所述4D打印方法是采用熔融沉积成型整个电路，包括光敏二极管、电致形状记忆聚合物、电源以及若干导线，实现传感器一体化成型。
所述光敏二极管1是将光信号变成电信号的二极管器件，其对外界光强变化反应灵敏。
进一步，所述电致形状记忆聚合物2是短切碳纤维填充的形状记忆聚苯乙烯复合材料。
进一步的，电源是锂聚合物电池，导线为复合型导电性高分子材料导线，其中基体材料为聚苯乙烯，导电填料为石墨烯。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿神经视觉传感器，其特征在于，包括：光敏二极管(1)、电致形状记忆聚合物(2)、电源(3)和导线；
所述电源(3)的正极连接于所述光敏二极管(1)的阳极；所述光敏二极管(1)的阴极通过导线连接于所述电致形状记忆聚合物(2)的一端；所述电致形状记忆聚合物(2)的另一端通过导线连接于所述电源(3)的负极；
所述光敏二极管(1)用于接收光信号，进而自身阻值发生变化以使整个电路的电流发生变化；所述电致形状记忆聚合物(2)用于感知电流变化后发生机械形变，以使所述光信号转变为机械信号；
所述传感器通过4D打印方法一体成型,所采用的4D打印方法为熔融沉积成型方法。
2.根据权利要求1所述的一种仿神经视觉传感器，其特征在于，所述电致形状记忆聚合物(2)为具有填充材料的形状记忆聚氨酯复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种仿神经视觉传感器，其特征在于，所述填充材料为碳纳米管、碳纤维或炭黑。
4.根据权利要求1所述的一种仿神经视觉传感器，其特征在于，所述电致形状记忆聚合物(2)为具有填充材料的形状记忆聚苯乙烯复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种仿神经视觉传感器，其特征在于，所述填充材料为炭黑或短切碳纤维。
6.根据权利要求1所述的一种仿神经视觉传感器，其特征在于，所述电源(3)为锂聚合物电池。
7.根据权利要求1所述的一种仿神经视觉传感器，其特征在于，所述导线为复合型导电性高分子材料制成，包括基体部分和导电部分；
所述基体部分为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、环氧树脂或酚醛树脂；
所述导电部分为炭黑、碳纳米管或石墨烯。
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