[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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；

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；

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；

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；

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。

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。

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。