[发明专利]基于压电材料的水下生物机器鱼系统供能装置

说明书

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 goldfish by 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。