用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3D压电能量收集装置

用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置
技术领域
1.本发明属于能量收集技术领域，具体涉及一种用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置。


背景技术：

2.微型飞行器(micro-air-vehicles，mav)是一种类似昆虫大小的飞行机器人，因为其体积小，能够形成网络互联，在搜救行动、爆炸物监视、监测以及探测等危险环境中拥有巨大的应用潜力。而自然界中的昆虫本身具备了优越的空气动力学性能，突出的机动性，以及能够承受超过其体重的承载能力，所以研究人员致力于建造一种可控的半机械昆虫飞行器。由于传统电池的微型化和较高的能量密度之间的矛盾，使得这些半机械昆虫飞行器的一次性使用寿命受到了极大限制。能量收集作为依托环境而源源不断地进行能量转化的一种方式，可以有效地解决半机械昆虫一次性飞行寿命问题，且随着生物振动能量收集装置微型化技术的日趋成熟，研究人员都致力于利用生物体的振动来实现半机械昆虫飞行器的自供电。
3.目前，研究者们利用电磁式和压电式的能量收集方式分别实现了天蛾和甲虫等昆虫飞行时的振动能量收集，且可以有效地为其携带的微控制器提供电能。但是目前所采用的能量收集装置大多是传统刚性压电梁的变体，且对于蜜蜂等小体型、高振翅频率的膜翅目昆虫来说有着一定的局限性。所以说，设计一种可适用膜翅目昆虫的集柔性化、轻量化以及共型化的压电式能量收集结构，对于半机械昆虫飞行器的发展有着重大意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置，能够适用于蜜蜂等膜翅目昆虫振翅过程，且集柔性化、轻量化和共型化为一体的3d压电式能量收集薄膜结构，可以在最大程度降低对膜翅目昆虫振翅飞行影响的基础上，有效地实现其振翅运动能量向电能的转化，为膜翅目半机械昆虫飞行器携带的微控制器等提供电能，进而提升其一次性飞行寿命，推动半机械昆虫飞行器的发展。
5.本发明提供了一种用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置，所述包括用于安装于昆虫本体上的左右两个压电能量收集结构，所述压电能量收集结构包括翅膀连接结构、第一折叠变形结构、第二折叠变形结构、中间连接结构以及胸部连接结构；
6.所述翅膀连接结构为开口槽形状，用于与膜翅目昆虫翅膀离翅基1/3的前缘脉部分结合，所述翅膀连接结构的边缘折叠部分经过翻折后通过生物粘合剂与昆虫翅膀的翅面进行粘合；
7.所述第一折叠变形结构、第二折叠变形结构位于所述中间连接结构两侧，并通过所述中间连接结构连接；所述第一折叠变形结构、第二折叠变形结构、中间连接结构的一端与所述翅膀连接结构连接，另一端与所述胸部连接结构连接；所述第一折叠变形结构、第二折叠变形结构采用折纸折叠设计，可随着昆虫振翅拍打折叠与展开；
8.所述第一折叠变形结构、第二折叠变形结构形成120
°
拱形夹角，并通过所述中间连接结构连接，使得压电能量收集结构整体呈空间多自由度3d结构；所述中间连接结构为容易变形的蜿蜒结构，同时沿着折叠结构纵向阵列；
9.所述胸部连接结构为局部轻量化的拱形形状，用于与昆虫胸部位置贴合固定。
10.进一步地，所述压电能量收集结构由中间pvdf薄层、pvdf厚层，以及上表面电极层、下表面的电极层组成。
11.进一步地，所述第一折叠变形结构、第二折叠变形结构折叠变形部分的波峰和折叠变形部分的波谷位置采用厚度减薄设计。
12.进一步地，所述第一折叠变形结构、第二折叠变形结构表面电极分布采用图案化分布，即对于折叠变形部分的波峰位置喷涂电极，折叠变形部分的波谷位置不进行喷涂，以避免极化方向不同所带来的电能抵消，提升能量收集输出效率。
13.与现有技术相比本发明的有益效果是：
14.1)本发明包含了与膜翅目昆虫翅膀进行连接的开口槽结构以及翻折贴合设计，可以很好地与昆虫翅膀距翅基1/3的位置进行结合和固定。
15.2)本发明包含了位于两边的折叠变形结构，可以实现随着昆虫振翅拍打而折叠和展开，在进行压电能量转化的同时也降低了能量收集结构对于振翅运动的影响。
16.3)本发明包含了中间蜿蜒连接结构，通过具备柔性的蜿蜒结构将两侧折叠结构相连接，可以在保证空间多个运动自由度的同时为压电能量输出提供增益。
17.4)本发明包含了与膜翅目昆虫胸部连接的拱形结构，通过这种与昆虫胸部的共型设计，可以使压电能量收集结构的一端与昆虫胸部进行固定。
18.5)本发明以相对简单的形式，合理的结构设计，以及3d空间分布，使得该压电能量收集结构能够很好地适应膜翅目昆虫振翅飞行过程的能量收集，进而为半机械昆虫飞行器携带的微控制器提供电能。
附图说明
19.图1是本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置安装在昆虫身上的结构示意图(后视)；
20.图2是本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置安装在昆虫身上的结构示意图(上视)；
21.图3是本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集示意正视图(左翅部分)；
22.图4是本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置示意中间剖面图；
23.图5是本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置波峰波谷局部厚度过渡示意图；
24.图6是本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置分层示意图；
25.图7为本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置电极图案化分布图。
26.图中标记：
27.1、第一3d压电能量收集结构；1-1、翅膀连接结构；1-2、第一折叠变形结构；1-3、中间连接结构；1-4、胸部连接结构；1-5、第二折叠变形结构；1-5a、折叠变形部分的波峰；1-5b、折叠变形部分的波谷；1-a、上表面电极层；1-b、pvdf薄层；1-c、pvdf厚层；1-d、下表面的电极层。
28.2、第二3d压电能量收集结构；
29.3、昆虫本体；3-1、膜翅目昆虫翅膀离翅基1/3的前缘脉部分(压电能量收集结构的翅膀连接位置)；3-2、昆虫胸部位置；
30.4、支撑平面。
具体实施方式
31.下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
32.如图1、2所示，是将压电能量收集装置安装在昆虫身上的示意图。其中包括左右两个3d压电能量收集结构，即第一3d压电能量收集结构和第二3d压电能量收集结构2，昆虫本体3以及支撑平面4。膜翅目昆虫翅膀离翅基1/3的前缘脉部分3-1(压电能量收集结构的翅膀连接位置)位于昆虫翅膀距翅基1/3的位置，另一端则固定在昆虫胸部位置3-2处。
33.如图3所示，是本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置示意正视图(左翅部分)。本实施例中的压电能量收集结构整体由pvdf压电薄膜制作成型，包括翅膀连接结构1-1、两侧折叠变形结构，即第一折叠变形结构1-2和第二折叠变形结构1-5、中间连接结构1-3以及胸部连接结构1-4。翅膀连接结构1-1设计为开口槽结构以及边缘可翻折贴合方式，可以与昆虫翅膀进行连接。翅膀连接结构通过与膜翅目昆虫翅膀前缘脉1/3处的结构进行共型化设计，形成开口槽夹持结构；然后将边缘部分折叠，利用生物粘合剂与昆虫翅膀进行固结。第一折叠变形结构1-2和第二折叠变形结构1-5可以随着昆虫振翅拍打而不断地折叠与展开，进而使得压电薄膜产生变形，将机械能转化为电能。折叠变形结构仿照折纸变形机制进行设计，当昆虫飞行时，可以随着其振翅拍打而有效地折叠与展开，进而在能量转化的同时降低对昆虫振翅飞行的影响。
34.两侧的第一折叠变形结构1-2和第二折叠变形结构1-5由中间连接结构1-3进行连接，中间连接结构设计为蜿蜒形状，通过这种方式的连接可以进一步提升整体3d结构的柔性，同时蜿蜒结构的变形也能实现压电能量的转化，提升整体能量输出。中间蜿蜒结构由于具备一定的变形能力，进而适应昆虫纵向的翅膀摆动，且能转化一定的压电能量，提升整体结构的压电输出性能。胸部连接结构1-4进行了与昆虫胸部形状的拱形设计，可以贴合在昆虫胸部位置。胸部连接结构结合昆虫胸部的拱形形状，可以有效地粘接在膜翅目昆虫的胸部位置。
35.如图4所示，为本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置示意中间剖面图。为适应振翅拍打时多自由度的运动，整体压电能量收集结构横向设计为第一折叠变形结构1-2和第二折叠变形结构1-5夹角为120
°
的拱形结构(两个折叠结构形成120
°
拱形夹角)，并通过蜿蜒结构连接，使得整个结构具备多个方向的自由度，使得压电能
量收集结构整体呈空间多自由度3d结构，可以有效地适应昆虫的振翅拍打运动。，所述两个折叠结构形成120
°
拱形夹角，并通过蜿蜒结构连接，进而使得压电薄膜结构整体呈空间多自由度3d结构。
36.如图5所示，为本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置波峰波谷局部厚度过渡示意图。包括了折叠变形部分的波峰1-5a以及折叠变形部分的波谷1-5b，为了在振翅拍打运动过程中进行有效地折叠与展开，这里设计了波峰波谷位置的局部厚度过渡变化。
37.如图6所示，为本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置分层示意图。压电能量收集结构(压电能量收集薄膜)在厚度方向上为四层结构，包括上表面电极层1-a、pvdf薄层1-b、pvdf厚层1-c以及下表面的电极层1-d组成，这样便可以实现折叠变形部分的波峰和波谷的厚度过渡。压电能量收集薄膜由上下两面的电极层以及中间pvdf厚层和薄层形成了四层结构，薄厚两层作用主要是在折叠变形结构部分的波峰和波谷位置形成厚度上的过渡，进而在屈曲成形过程中更容易形成3d结构且能够有效地实现折叠与展开功能。
38.如图7所示，为本发明中膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置电极图案化分布图。根据理论及仿真分析结果，对于3d压电能量收集薄膜结构表面进行电极图案化分布设计，进而防止在折叠展开过程中由于极化方向不同而导致的能量相互抵消。
39.该用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置具有如下技术效果：
40.1)本发明包含了与膜翅目昆虫翅膀进行连接的开口槽结构以及翻折贴合设计，可以很好地与昆虫翅膀距翅基1/3的位置进行结合和固定。
41.2)本发明包含了位于两边的折叠变形结构，可以实现随着昆虫振翅拍打而折叠和展开，在进行压电能量转化的同时也降低了能量收集结构对于振翅运动的影响。
42.3)本发明包含了中间蜿蜒连接结构，通过具备柔性的蜿蜒结构将两侧折叠结构相连接，可以在保证空间多个运动自由度的同时为压电能量输出提供增益。
43.4)本发明包含了与膜翅目昆虫胸部连接的拱形结构，通过这种与昆虫胸部的共型设计，可以使压电能量收集结构的一端与昆虫胸部进行固定。
44.5)本发明以相对简单的形式，合理的结构设计，以及3d空间分布，使得该压电能量收集结构能够很好地适应膜翅目昆虫振翅飞行过程的能量收集，进而为半机械昆虫飞行器携带的微控制器提供电能。
45.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

技术特征：
1.一种用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置，所述包括用于安装于昆虫本体(3)上的左右两个压电能量收集结构，所述压电能量收集结构包括翅膀连接结构(1-1)、第一折叠变形结构(1-2)、第二折叠变形结构(1-5)、中间连接结构(1-3)以及胸部连接结构(1-4)；所述翅膀连接结构(1-1)为开口槽形状，用于与膜翅目昆虫翅膀离翅基1/3的前缘脉部分(3-1)结合，所述翅膀连接结构(1-1)的边缘折叠部分经过翻折后通过生物粘合剂与昆虫翅膀的翅面进行粘合；所述第一折叠变形结构(1-2)、第二折叠变形结构(1-5)位于所述中间连接结构两侧，并通过所述中间连接结构(1-3)连接；所述第一折叠变形结构(1-2)、第二折叠变形结构(1-5)、中间连接结构(1-3)的一端与所述翅膀连接结构(1-1)连接，另一端与所述胸部连接结构(1-4)连接；所述第一折叠变形结构(1-2)、第二折叠变形结构(1-5)采用折纸折叠设计，可随着昆虫振翅拍打折叠与展开；所述第一折叠变形结构(1-2)、第二折叠变形结构(1-5)形成120
°
拱形夹角，并通过所述中间连接结构(1-3)连接，使得压电能量收集结构整体呈空间多自由度3d结构；所述中间连接结构(1-3)为容易变形的蜿蜒结构，同时沿着折叠结构纵向阵列；所述胸部连接结构(1-4)为局部轻量化的拱形形状，用于与昆虫胸部位置(3-2)贴合固定。2.根据权利要求1所述的用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置，其特征在于，所述压电能量收集结构由中间pvdf薄层(1-b)、pvdf厚层(1-c)，以及上表面电极层(1-a)、下表面的电极层(1-d)组成。3.根据权利要求1所述的用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置，其特征在于，所述第一折叠变形结构(1-2)、第二折叠变形结构(1-5)折叠变形部分的波峰(1-5a)和折叠变形部分的波谷(1-5b)位置采用厚度减薄设计。4.根据权利要求3所述的用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3d压电能量收集装置，其特征在于，所述第一折叠变形结构(1-2)、第二折叠变形结构(1-5)表面电极分布采用图案化分布，即对于折叠变形部分的波峰(1-5a)位置喷涂电极，折叠变形部分的波谷(1-5b)位置不进行喷涂，以避免极化方向不同所带来的电能抵消，提升能量收集输出效率。

技术总结
本发明提供了一种用于膜翅目昆虫振翅运动能量收集的3D压电能量收集装置，包括昆虫翅膀连接结构、折叠变形结构、中间连接结构以及胸部连接结构。昆虫翅膀连接结构设计为能够与距翅基1/3处的前缘脉部分结合的开口槽形状，同时还有边缘翻折部分可以和翅面进行粘接。折叠变形结构仿照折纸进行设计，可以在昆虫振翅拍打过程中有效折展。中间连接结构设计为蜿蜒形状，用于连接两侧折叠变形结构的同时保持空间纵向的自由度。胸部连接结构设计为拱形的胸部共型结构，可以保证压电薄膜结构与昆虫胸部进行粘合。本发明能够实现膜翅目昆虫振翅飞行过程中的能量收集，从而为半机械昆虫飞行器所携带的微控制器提供电能。携带的微控制器提供电能。携带的微控制器提供电能。


技术研发人员：赵杰亮 马志云 余丽 王文中
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2022/5/25