一种基于液态金属的摩擦电触须传感器

本发明涉及一种摩擦电触须传感器，尤其涉及一种基于液态金属的摩擦电触须传感器，属于传感器。

背景技术：

1、海洋约占地球表面积的四分之三，探索海洋、开发海洋资源、获取三维海洋信息对当今世界各个海洋大国均具有重要意义。因此，发展海洋科技和加强海洋探索具有非凡的战略意义和重要性。随着水下机器人、传感器、云计算、大数据等技术的飞速发展，我国对海洋的探索也逐步由近海向远海、由海洋表面向海洋深处发展，对海洋信息感知方式也更加多样化。

2、水下机器人作为海洋探索的重要工具，在获取三维海洋信息、发现海底资源、进行深海探索等方面发挥着重要作用。与传统的海洋探测手段相比，水下机器人可以更加灵活、精确地完成任务，并且可以避免人员在海洋中作业时面临的安全问题。随着技术的不断进步，水下机器人也不断升级换代。其配备了各种传感器和设备，如摄像头、声纳、水下航行器、机械臂等，可通过水下光学、水下声呐探测以及触觉感知等技术获取海洋多模态信息。

3、触觉传感器曾被列为制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术之一，在水下机器人海洋探索任务中愈发体现出无可替代的作用，尤其是在浑浊度高、视距低、水流噪声大的水体环境中，光学传感器和声学传感器等单一传感器往往无法满足对环境的全面感知。但大自然是人类最好的老师，在水下声光感知无法满足生存需求的情况下，许多海洋生物进化出了用于水下触觉感知的触须，如海豹触须等。而通过在水下机器人上安装触觉传感器，可以实现对海洋环境的多模态信息采集，包括物体的形状、硬度、粘度、纹理等特征信息，以及液体中的压力、流速、流向等流体信息。这对于深海勘探和环境监测具有重要意义，可以为海洋科学研究提供更加准确的数据支撑。

4、动物的毛囊触须可以借助外界刺激在神经元中产生传导的电信号，这与摩擦纳米发电机在外界刺激下可在外电路传导的电信号有高度相似之处因此可以仿照触须毛囊结构，将其与摩擦纳米发电机相结合，并引用液态金属作为电极与摩擦层，制作了该基于液态金属的摩擦电触须传感器。而液态金属(liquid metal,lm)是一类具有独特物理化学性质的新型功能材料，其典型代表包括镓基合金、铋基合金等。液态金属材料在常温下处于液态，并可在液相和固相之间进行转换，同时具有沸点高、导电性强、热导率高等优异特性。因此由于液态金属具有优异的导电性、柔性、流动性以及电极自修复特性，使得液态金属成为制备柔性摩擦电传感器件的首选。

5、综上所述，得以设计一种基于液态金属的摩擦电触须传感器。

技术实现思路

1、本发明一种基于液态金属的摩擦电触须传感器的提出，目的是解决水下环境的声光条件难达到探测预期的问题，提出一种非声非光水下感知技术，丰富了水下机器人的触觉感知系统。

2、本发明的技术解决方案是这样实现的：

3、一种基于液态金属的摩擦电触须传感器(lwts)，包括：传感器基座、基座附加壳、硅胶囊套、触发器、四个扇形传感单元、碳纤维材料触须、记忆合金弹簧、环氧树脂灌封体，其特征在于，所述的传感器基座可以为传感器提供基础支撑，传感器基座由支架、圆环、凸台、线孔、环槽、法兰内环、法兰孔组成，法兰圆周均布12个法兰孔，用于将传感器基座固定在测量环境的地面，其圆环内圆环周向均布的四个支架端部焊接有四个扇形凹面，用于支撑、紧配合定位四个扇形传感单元各自间隔90°分布，四个扇形传感单元底部靠紧在传感器基座底部上，凸台外圆周均布四个圆形线孔，便于将四个扇形传感单元所连接的导线放置出去；基座附加壳与法兰内环孔紧配合连接；硅胶囊套的底部插入传感圆环外圆环与基座附加壳之间的空隙中，由于空隙较大，在硅胶囊套插入后还剩余有较大空隙，使用环氧树脂灌封体封进剩余的空隙中；记忆合金弹簧一端插入环槽内，另一端卡进触发器顶凹形端，保证四个扇形传感单元与触发器的脚部有3毫米距离；触发器的脚部为平底型，并使用dragonskin 30型号硅胶灌封；触发器顶凸形端开有圆孔，与碳纤维材料触须一端形成紧配合；碳纤维材料触须另一端穿过硅胶囊套的顶部中心，由硅胶囊套给记忆合金弹簧、触发器、碳纤维材料触须提供弹性支撑；碳纤维材料触须的初始位置位于传感器腔体的圆中心位置，其任何细微偏转都会驱动触发器靠近并挤压对应方向的传感单元进而产生电信号；所述的四个扇形传感单元的lwts传感单元由扇形硅胶封顶盖、水凝胶电极片、扇形硅胶啮合1、液态金属，空腔室、扇形硅胶封底盖、扇形硅胶啮合2组成，扇形硅胶封顶盖与扇形硅胶封底盖及侧封组成封闭空间，扇形硅胶啮合2有倒金字塔型的表面结构，可以增大与液态金属的接触面积，进而增强信号输出幅值，还可以使传感单元的信号输出与触发器传导的挤压力之间表现出更优异的拟合关系；液态金属与顶部的扇形硅胶啮合1之间留有充足的距离，可以提供良好的接触分离条件；扇形硅胶封底盖、扇形硅胶啮合2形成空腔室，当传感单元受到外力挤压时，内部压力改变，液态金属可以通过扇形硅胶啮合2上的一对预留孔自由地在空腔室和液态金属腔两个腔室中流动，避免出现压力过大导致液态金属溢出的情况；水凝胶电极片贴在单扇形硅胶啮合1上，并使用扇形硅胶顶封盖进行密封；所述的四个扇形传感单元的lwts传感单元制作流程如图5所示，首先将dragon skin 10硅胶part a与part b按照1:1比例混合在一起，然后将混合在一起的液态硅胶放入啮合1与啮合2的模具中，在烘干箱中45℃的温度下热凝固30分钟以上，即可获得扇形硅胶啮合1与扇形硅胶啮合2，由于硅胶脱模较为困难，需要在模具里提前喷涂脱模剂；随后将扇形硅胶啮合1与扇形硅胶啮合2扣在一起，使用注射器通过扇形硅胶啮合2表面的预留孔向内部注射液态金属(镓铟锡合金，熔点为6℃)，注射完后使用扇形硅胶底封盖进行密封，同时放入第一根导线，使其与液态金属保持良好接触；进一步地，将扇形的水凝胶电极片贴入扇形硅胶啮合1上提前预留的空位中，并放入第二根导线，使其与水凝胶贴片保持良好接触；然后使用扇形硅胶顶封盖进行密封，得到最终的传感单元；lwts传感单元的发电原理如图6所示，图中除去标注的水凝胶和液态金属外，其他部分均为硅胶，在(a)所示状态时，硅胶与水凝胶表面带有相同数量的正负电荷，达到静电平衡；在(b)所示状态时，有外部载荷f作用，上部的硅胶与水凝胶发生形变弯曲向下运动，此时上部的硅胶与底部的液态金属之间电势平衡被打破，在电势差的驱动下电流从水凝胶电极片流向液态金属电极；在(c)所示状态时，在液态金属层与上部硅胶紧紧贴合后，电荷转移结束，此时液态金属与上部硅胶的接触界面电势达到平衡状态，在(d)所示状态时，外部负载消失后，硅胶内部产生向外的弹性力驱使硅胶恢复成最初的形状，当上部硅胶与液态金属分离后，二者表面的电势平衡再次被打破，形成电势差，在静电感应与电势差的作用下，电流从液态金属流向上部的水凝胶电极，最终变为初始状态(a)；至此，一次循环结束，在反复的外部负载作用下，传感单元可形成交流输出，通过测量输出电流变化从而实现多模态信息采集。

4、其特征还在于所述硅胶囊套的制作，是靠两个模具，分别为外模具和内模具，外模具翻转之后可以扣在内模具中，内模具的内表面与外模具的外表面在扣合之后存在间隙且间隙宽度均在3.5mm，将硅胶倒入间隙之中后等待凝固后即可取出来，制作出来的硅胶囊套的厚度与间隙宽度相同，也是3.5mm。

5、其特征还在于所述触发器的制作，是把硅胶灌进模具里，待凝固即可；灌注使用的硅胶为dragon skin 30；脚部灌封可分为平底型与凸底型，平底型灌脚经过实验数据验证，其性能优于凸底型。

6、与现有技术相比较，本发明的优点是显而易见的，主要表现在：

7、1、该发明为基于液态金属的摩擦电触须传感器，可用于提高水下机器人感知能力、提供触觉感知维度；

8、2、该发明通过在水下机器人上安装触觉传感器，具有对海洋环境的多模态信息采集的潜力，包括物体的形状、硬度、粘度、纹理等特征信息，以及液体中的压力、流速、流向等流体信息。

9、3、内部带有金字塔型突触的液态金属基teng传感单元，之后加入了液态金属腔室与水凝胶电极，使传感单元承压性能更好。即使在高频率的压力条件下，也能保持其稳定的性能。这对于深海勘探和环境监测具有重要意义，可以为海洋科学研究提供更加准确的数据支撑。