一种基于摩擦纳米发电机的海洋生物智能皮肤

技术领域

本发明涉及海洋生物自供能传感器领域，具体而言，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的海洋生物智能皮肤。

背景技术

现今，对海洋生物资源的监测多使用声呐、多频声学等水声学技术，可以远距离、大范围监测，且受海水浑浊影响较小。然而，声学监测对海洋生物目标精度识别不精确，携带信息有限，传递滞后，随着海洋环境噪声的提高、海洋环境水声效应影响显著，水声目标监测面临巨大的挑战。另一种监测方式是利用光学技术，即基于光学图像的水下机器视觉技术，虽然能观察到海洋生物的形态，但对光线也有较高要求，由于海水严重浑浊，图像处理效果不显著，这也限制了其应用范围。还有一些是通过使用侵入式电子标签进行追踪的方式获得海洋生物的行为、地理位置、环境等信息。这类侵入式电子标签能够实时监测海洋生物的行为、环境变化等，合适的大小和重量的标签不会影响海洋生物的运动模式、生活习性、游泳阻力。但侵入式的电子标签会对海洋生物的健康造成一定危害，并且电子标签使用传统的电子、电池供电，电子、电池寿命有限，还可能存在漏液、腐蚀、破损等缺点，容易污染海洋环境。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的海洋生物智能皮肤，主要利用摩擦纳米发电机的摩擦材料和介电材料在海洋生物运动和水压作用下发生接触分离，产生感应电荷，经外电路形成电流，对海洋生物运动的不同姿势产生不同的电信号进行监测，从而长期、高效、实时追踪海洋生物。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于摩擦纳米发电机的海洋生物智能皮肤，包括：

柔性外壳，所述柔性外壳具有中空容置空间；

阵列发电单元，所述阵列发电单元包括依次设置的一个第一发电片、若干中间发电片以及一个末端发电片，所述第一发电片、各中间发电片以及末端发电片呈多米诺骨牌状阵列排布，

所述第一发电片包括PET层和导电油墨层，且导电油墨层设置在靠近中间发电片一侧，

所述中间发电片包括依次设置的PTFE层、导电油墨层、PET层、支撑材料层、PET层以及导电油墨层，

所述末端发电片包括依次设置的PTFE层、导电油墨层以及PET层，且PTFE层设置在靠近中间发电片一侧，

任意相邻的两个发电片相互摩擦能够形成一个发电模块；

电路管理单元，所述电路管理单元一方面收集所述发电单元产生的电能，另一方面将收集的电能传输至外部设备。

进一步地，所述中间发电片的PTFE层与相邻的导电油墨层四周使用粘合剂粘贴，且中间留有空气层。

进一步地，所述中间发电片的两个PET层分别使用粘合剂与支撑材料层粘贴，且中间不留空气层。

进一步地，所述电路管理单元通过并联方式收集各发电模块产生的电能。

进一步地，所述电路管理单元包括整流桥、电容、开关、电阻以及外部设备；

将相邻发电模块产生的电流分别接入两个整流桥的交流输入，将两个整流桥的输出并联后分别接电容的两端；

开关与电阻串联后与电容并联；

外部设备与电容并联。

进一步地，所述柔性外壳的制备方法为：使用3D打印模具后，利用硅胶浇灌而成。

进一步地，所述外部设备包括储能设备、用电设备或者分析设备。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用柔性材料制成，质量较轻，轻巧的设计可以让它被各种大大小小的海洋动物穿戴，而不会破坏他们的身体或水下行为。

2、本发明采用弹性硅胶底板设计，可以承受扭曲或较大的压力。且硅胶为环保无害材料，设备为非侵入式的，不会对海洋生物造成伤害，材料疏水性良好，可以减轻海水的腐蚀。

3、本发明采用摩擦纳米发电单元，依靠海洋生物自身运动发电，直接给相关传感器供能，对海洋环保、无污染，且能使用。

4、本发明摩擦纳米发电机为阵列式结构，可以根据需求，调整中间发电片的数量进而调节发电模块的数量，便于推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明海洋生物智能皮肤整体结构示意图。

图2是本发明海洋生物智能皮肤中间发电片结构示意图。

图3是本发明海洋生物智能皮肤的发电原理图。

图4是本发明海洋生物智能皮肤电路管理单元电路图。

图中：1、柔性外壳，2、发电片，A

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的海洋生物智能皮肤，包括：柔性外壳1、阵列发电单元以及电路管理单元。

柔性外壳1，其具有中空容置空间，用于容纳阵列发电单元。进一步地，本实施例中柔性外壳的制备方法为：使用3D打印模具后，利用硅胶浇灌而成。

阵列发电单元包括依次设置的一个第一发电片A

进一步地，所述中间发电片的PTFE层与相邻的导电油墨层四周使用粘合剂粘贴，且中间留有空气层。所述中间发电片的两个PET层分别使用粘合剂与支撑材料层粘贴，且中间不留空气层。

任意相邻的两个发电片相互摩擦能够形成一个发电模块。具体地，一个发电模块包括第一摩擦电极层、一个介电层以及第二摩擦电极层，通过第一摩擦电极层、第二摩擦电极层与介电层进行交替摩擦，从而生成交流电流。举例来说，通过第一发电片和第二发电片即可构成一个发电模块，该发电模块包括由第一发电片的PET层和导电油墨层构成的第一摩擦电极层、由第二发电片PTFE层构成的介电层以及由第二发电片的第一个PET层和油墨层构成的第二摩擦电极层。通过第二发电片和第三发电片也可以构成一个发电模块，该发电模块包括由第二发电片的第二个PET层和导电油墨层构成的第一摩擦电极层、由第三发电片PTFE层构成的介电层以及由第三发电片的第一个PET层和油墨层构成的第二摩擦电极层。以此类推，即可得到n-1个发电模块。

发电过程如图3所示，发电模块的发电原理是接触起电和静电感应耦合作用。在初始状态下，没有电荷产生，第一、二摩擦电极层与介电层之间没有电势差，当发电单元受到海洋生物摆动等外力作用时，第二摩擦电极层与介电层相互接触。由于摩擦起电效应，两种材料的接触部分会发生电荷转移，摩擦电极层表面的电子会转移到介电层PTFE表面，使得介电层PTFE带负电，第二摩擦电极层带正电；当发电单元所受外力减小时，由于介电层PTFE自身的弹性，会倾向回到原始位置，由于两个带电表面发生分离，在开路情况下，电极之间会形成电势差，外电路发生电荷转移，形成电流；当介电层PTFE回到原始位置时，电极之间达成新的电势平衡；由于惯性力的作用，介电层PTFE会逐渐与第一摩擦电极相互接触，发生电荷转移，介电层PTFE带负电，第一摩擦电极层带正电，产生和之前相反方向的电荷转移，形成相反方向的电流；之后介电层PTFE会再次回到初始态；整个过程产生交流电。

每个发电模块需要两根导线，其中一根一端连接第一摩擦电极层，另一端伸出柔性外壳与静电计正极相连；另一根其一端连接第二摩擦电极层，另一端连接伸出柔性外壳与静电计负极相连。每一个发电单元外接一组导线，多组导线并联从硅胶密封外壳留有的空隙引出，用硅胶把空隙处填补，再用热熔胶密封。

电路管理单元，所述电路管理单元一方面收集所述发电模块产生的电能，另一方面将收集的电能传输至外部设备。作为本发明优选的实施方式，外部设备包括储能设备、用电设备或者分析设备。具体来说，储能设备可以是蓄电池，通过蓄电池存储电能供其他用电器使用。或者发电模块产生的电能直接给如传感器等用电设备供电。再或将点能信号通过无线传输技术发送给分析设备，通过不同的电信号对对海洋生物运动的姿势进行分析，通过电信号监测海洋生物的运动，长期、高效、实时追踪海洋生物对获取海洋信息、建设海洋牧场、保护海洋环境。

具体来说，如图4所示，电路管理单元通过并联方式收集各发电模块产生的电能，电路管理单元包括整流桥、电容、开关、电阻以及外部设备；将相邻发电模块产生的电流分别接入两个整流桥的交流输入，将两个整流桥的输出并联后分别接电容的两端；开关与电阻串联后与电容并联；外部设备与电容并联。

本发明中，与海水、生物接触的元件均进行防腐、防水处理。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。