一种基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾

1.本发明属于软体仿生技术领域，尤其涉及一种基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾。


背景技术：

2.随着人类对地球资源需求的增加，陆地上有限的资源已经逐渐匮乏。人类对于海洋资源的探测与开采、水下生物的观察与研究更加广泛，海洋中蕴藏了极其丰富的能源和其他稀有资源，同时也是各国之间的运输道路和军事竞赛的战略空间。为了实现对水下世界的探索以及开发，人类开发了各种各样的水下航行器。目前，传统的水下航行器的推进方式主要是轮船相仿的叶轮式或者螺旋桨等方式，存在结构较为笨重，灵活性差，环境适应性差，噪音大等缺点，限制了其应用。
3.自然界中存在着数万种生物，虽然它们身体结构与作用各有不同，但是经过了亿万年的优胜劣汰的自然选择，都已经具备了良好的环境匹配度。而在水中，鱼类经过长期进化，其身体形态和游动模式都非常完美地匹配了水下生存环境，此外，鱼类还具有低噪声、低阻力、高灵活性和高隐蔽性等优点。近年来仿生学的飞速发展，国内外学者通过模仿各种各样的鱼类游动模式开发出多种类型的仿生鱼，并成功应用于水下探测、海洋垃圾清理和鱼群习惯分析等。仿生鱼已经成为水下推进器发展的新方向。
4.目前常见的仿生鱼驱动方式主要有五种：电机驱动、气流体驱动、形状记忆合金驱动(sma)、离子型金属聚合物驱动(ipmc)和介电弹性体驱动，其在仿生鱼的致动方面各有优势，但是也存在着结构刚性、驱动源庞大、控制精度低和输出力小等缺点。为此，亟需提供一种具有应变大、能量密度高、响应速度快、质量轻等特点的仿生鱼驱动结构，以提高仿生鱼的灵活性和隐蔽性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，包括：
7.尾鳍，所述尾鳍用于保持仿生鱼的身体稳定，把握仿生鱼的运动方向以及为仿生鱼提供前进动力；
8.固定架，所述尾鳍转动连接在所述固定架上，所述固定架为v型结构；
9.鱼尾肌肉，所述鱼尾肌肉用于驱动所述尾鳍摆动，所述鱼尾肌肉对称设置于所述尾鳍的两侧，所述鱼尾肌肉的两端分别与所述固定架、所述尾鳍固定连接；所述鱼尾肌肉包括两片边缘粘合的弹性薄膜，两片所述弹性薄膜之间的空腔内充满电共轭液体，且两所述鱼尾肌肉的内部均引出有电极。
10.优选的，所述尾鳍靠近所述固定架的一端设置有两个突触，两个突触上均沿竖直方向开设有通孔，所述通孔内转动连接有转轴，所述尾鳍通过所述转轴与所述固定架转动
连接。
11.优选的，还包括压板，所述压板上开设有螺纹孔，所述螺纹孔内螺纹连接有螺栓，所述鱼尾肌肉的两端分别通过所述压板和所述螺栓固定安装到所述固定架、所述尾鳍上。
12.优选的，所述螺栓为尼龙螺栓。
13.优选的，所述弹性薄膜为硅橡胶材质或pdms材质。
14.优选的，所述电共轭液体采用通入直流高压后能够产生从正极到负极定向流动而形成射流的液体。
15.优选的，所述电共轭液体采用三乙酸甘油酯或癸二酸二丁酯。
16.优选的，所述鱼尾肌肉在预拉伸后通过所述压板固定于所述尾鳍以及所述固定架上。
17.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
18.本发明使用基于电共轭液体以及弹性薄膜制成的鱼尾肌肉更接近于肌肉组织，材料软，形变大，电信号控制响应更迅速，其尾鳍摆动更接近于尾鳍推进模式的鱼类游动，具有结构简单合理、加工容易、重量轻以及能量转和效率高等优点。
附图说明
19.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明的主体结构示意图；
21.图2是本发明的主体结构俯视示意图；
22.图3是本发明的鱼尾肌肉正视示意图；
23.图4是本发明的鱼尾肌肉侧视示意图；
24.其中：101、尾鳍；102、压板；103、固定架；104、转轴；105、鱼尾肌肉；1051、弹性薄膜；1052、电共轭液体；1053、电极。
具体实施方式
25.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。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。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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
26.如图1至图2所示，本发明提供一种基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，包括：
27.尾鳍101，尾鳍101用于保持仿生鱼的身体稳定，把握仿生鱼的运动方向以及为仿生鱼提供前进动力；
28.固定架103，固定架103为v型结构；尾鳍101靠近固定架103的一端设置有两个突触，两个突触上均沿竖直方向开设有通孔，通孔内转动连接有转轴104，尾鳍101通过转轴104与固定架103转动连接；
29.鱼尾肌肉105，鱼尾肌肉105用于驱动尾鳍101摆动，鱼尾肌肉105对称设置于尾鳍
101的两侧，且两个鱼尾肌肉105的形状、大小均相同；如图3至图4所示，鱼尾肌肉105包括两片边缘位置通过硅胶粘合剂粘合的弹性薄膜1051，两片弹性薄膜1051之间的空腔内充满电共轭液体1052，且两鱼尾肌肉105的内部均引出有电极1053，且引出的电极1053与高压直流放大电压或高压直流电源的正极相连接；
30.还包括压板102，压板102上开设有螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有尼龙螺栓，鱼尾肌肉105的两端分别通过压板102和尼龙螺栓固定安装到固定架103、尾鳍101上。
31.进一步的，固定架103包括两个平行设置的v型板和一个v型竖板组成，两个v型板通过v型竖板固定连接，且在固定架103远离尾鳍101的一侧形成导流槽。
32.进一步的，弹性薄膜1051为硅橡胶材质或pdms材质。
33.进一步的，电共轭液体1052采用三乙酸甘油酯或癸二酸二丁酯等具有通入直流高压后能够产生从正极到负极定向流动而形成射流的液体。
34.进一步的，鱼尾肌肉105在预拉伸后通过压板102固定于尾鳍101以及固定架103上，以便于利用弹性薄膜1051预拉伸后产生的弹力为仿生鱼尾的摆动提供一部分动力。
35.本发明提供的基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，工作在水或其他导电液体里，其的动力来源为高压直流电源或高压直流放大器；高压电源或高压直流放大器的输出端的正极与鱼尾肌肉105引出的电极1053相连；高压电源输出端的负极与水或其他导电液体相接触。
36.本发明提供的软体仿生鱼尾摆动原理主要来源于三个力的合力；三个力分别包括对弹性薄膜1051进行预拉伸后产生的弹力、弹性薄膜1051内的电共轭液体1052与膜外的导电液体在通入直流高压电后产生的射流力以及通电之后产生的麦克斯韦应力；射流力以及麦克斯韦应力的作用均为对弹性薄膜1051施加挤压力，由于弹性薄膜1051体积不变，在施加挤压力后，造成薄膜面积变大，使仿生鱼尾的鱼尾肌肉105拉伸；对尾鳍101两侧鱼尾肌肉105上的电极1053依次通入高压直流电便实现了仿生鱼尾鳍的快速大幅度摆动。与其它驱动方式相比，本发明利用电共轭液体1052配合硅胶等材料制成的执行器，具有应变大、能量密度高、响应速度快、质量轻等特点，更适合应用于仿生鱼的驱动。
37.固定架103夹角的大小，以及固定架103、鱼尾肌肉105上的通孔位置可以决定相同输入电压下鱼尾的摆动角度，研究员可根据不同应用场景来布置固定架103的角度以及通孔位置，来更好的满足不同工作场景下的需求；固定架103呈v型结构，因而大大地减低了流体对它的阻力，间接提升仿生鱼的游动速度。
38.一种基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾的游动方法，其中包括以下步骤：
39.步骤1：将仿生机器鱼放入水中，并将两套高压直流放大器或高压直流电源的负极放入水或其他导电液体中，正极分别与尾鳍101两侧的鱼尾肌肉105引出的电极1053相连；
40.步骤2：先对一侧的鱼尾肌肉105施加直流高压，另一侧的鱼尾肌肉105不通电，此时施加直流高压电一侧的鱼尾肌肉105由于麦克斯韦应力以及射流力对鱼尾肌肉105上的弹性薄膜1051施加挤压力，使鱼尾肌肉105拉伸变长，同时由于事先对鱼尾肌肉105进行预拉伸后固定，因此鱼尾肌肉105在预拉伸后的弹性势能也会对鱼尾肌肉105作功，致使尾鳍101绕转轴104向一侧偏转；
41.步骤3：改变两侧鱼尾肌肉105的通电状态，从而使尾鳍101绕转轴104另一侧偏转；
42.步骤4：重复上述步骤2及步骤3，实现仿生鱼尾的摆动；此外，可以通过调节高压直
流放大器或高压直流电源输出电压大小，以及对鱼尾肌肉105通电断电的开关频率，来调整软体仿生鱼尾的摆动幅度及摆动速度，从而调整基于此软体仿生鱼尾制作的仿生鱼游动方向及游动速度。
43.以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，其特征在于，包括：尾鳍(101)，所述尾鳍(101)用于保持仿生鱼的身体稳定，把握仿生鱼的运动方向以及为仿生鱼提供前进动力；固定架(103)，所述尾鳍(101)转动连接在所述固定架(103)上，所述固定架(103)为v型结构；鱼尾肌肉(105)，所述鱼尾肌肉(105)用于驱动所述尾鳍(101)摆动，所述鱼尾肌肉(105)对称设置于所述尾鳍(101)的两侧，所述鱼尾肌肉(105)的两端分别与所述固定架(103)、所述尾鳍(101)固定连接；所述鱼尾肌肉(105)包括两片边缘粘合的弹性薄膜(1051)，两片所述弹性薄膜(1051)之间的空腔内充满电共轭液体(1052)，且两所述鱼尾肌肉(105)的内部均引出有电极(1053)。2.根据权利要求1所述的基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，其特征在于，所述尾鳍(101)靠近所述固定架(103)的一端设置有两个突触，两个突触上均沿竖直方向开设有通孔，所述通孔内转动连接有转轴(104)，所述尾鳍(101)通过所述转轴(104)与所述固定架(103)转动连接。3.根据权利要求1所述的基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，其特征在于，还包括压板(102)，所述压板(102)上开设有螺纹孔，所述螺纹孔内螺纹连接有螺栓，所述鱼尾肌肉(105)的两端分别通过所述压板(102)和所述螺栓固定安装到所述固定架(103)、所述尾鳍(101)上。4.根据权利要求3所述的基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，其特征在于，所述螺栓为尼龙螺栓。5.根据权利要求1所述的基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，其特征在于，所述弹性薄膜(1051)为硅橡胶材质或pdms材质。6.根据权利要求1所述的基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，其特征在于，所述电共轭液体(1052)采用通入直流高压后能够产生从正极到负极定向流动而形成射流的液体。7.根据权利要求6所述的基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，其特征在于，所述电共轭液体(1052)采用三乙酸甘油酯或癸二酸二丁酯。8.根据权利要求3所述的基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，其特征在于，所述鱼尾肌肉(105)在预拉伸后通过所述压板(102)固定于所述尾鳍(101)以及所述固定架(103)上。

技术总结
本发明公开一种基于电共轭液体驱动的软体仿生鱼尾，涉及软体仿生领域；本发明包括：尾鳍、压板、固定架、转轴以及鱼尾肌肉，因其依靠电信号进行控制，此类控制过程非常类似于神经系统信号再肌肉组织中的传递过程，同时鱼尾肌肉采用柔性材料制成，因此本发明提供的软体仿生鱼尾其尾鳍摆动更接近于尾鳍推进模式的鱼类游动。本发明使用基于电共轭液体以及弹性薄膜制成的鱼尾肌肉更接近于肌肉组织，材料软，形变大，电信号控制响应更迅速，具有结构简单合理、加工容易、重量轻以及能量转换和效率高等优点。等优点。等优点。


技术研发人员：张叶 刘勇 祝国强 张秀宇 李志伟 王越 孙灵芳 王建国
受保护的技术使用者：东北电力大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/9