摩擦纳米发电机及制备方法、自供能传感系统及关节角度检测方法

本发明涉及4d打印技术、传感技术和自供能系统相结合的交叉技术领域，更具体地，涉及一种基于4d打印技术的摩擦纳米发电机、自供能传感系统、基于所述自供能传感系统的关节转动角度的检测方法以及所述基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法。

背景技术：

随着物联网时代的到来，大量的便携式电子设备得以应用，这些电子设备的供电方式普遍选择使用电池进行供电。但使用电池供电需要进行频繁充电或更换电池，同时废弃的电池还会带来严重的环境污染。因此，迫切需要一种不需要外部电源供电即可实现检测的自供能传感技术。为了解决这一问题，基于摩擦纳米发电机的自供能传感系统得到了广泛的关注。

然而，在实现普遍应用的道路上，基于摩擦纳米发电机的自供能传感系统仍然存在一些问题。首先，当器件长期工作时，器件性能会出现衰减，从而导致检测结果出现错误。其次，基于摩擦纳米发电机的自供能传感器的制备工艺相对落后。最后，传统的制备工艺通过对各组件的加工、组装，并最终装配成一个完整的器件；然而这样的工艺很难保证同一批器件的性能，并最终影响检测效果。

专利文献cn111564985a(公开日2020年08月21日)公开了一种传感式摩擦纳米发电机、轮胎的传感装置及力监测系统，其中通过对摩擦纳米发电机的结构进行设计，将各个基底层、电极层以及摩擦层依次粘贴在柔性基底层内壁，从而得到一个相对封闭的摩擦纳米发电机；摩擦层在预紧力的作用下相互接触；当基底层的两侧受到相反的作用力时，摩擦层相互远离，从而产生一个与形变量有关的电信号；根据电信号的特征即可判断摩擦纳米发电机的形变特征，从而使该发明的传感式摩擦纳米发电机具备感应功能。但其制备流程复杂，制备效率和制备精度不高，且制作出的传感装置的使用寿命不尽如人意。

为了推动基于摩擦纳米发电机的传感装置应用与发展，迫切需要一种全新的工艺，以提高传感装置的制备效率、制备精度，并同时提高传感装置的使用寿命。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决传感装置的制备流程复杂，制备效率和制备精度不高，且制作出的传感装置的使用寿命不尽如人意的技术问题。

本发明的首要目的是提供一种基于4d打印技术的摩擦纳米发电机。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于4d打印技术的摩擦纳米发电机，包括可相对转动的第一摩擦发电部件和第二摩擦发电部件；所述第一摩擦发电部件包括第一基底层、设置在第一基底层表面的的摩擦单元，所述若干摩擦单元以第一基底层的中心为圆心间隔排列；所述第二摩擦发电部件包括第二基底层、设置在第二基底层内表面的第一电极、第二电极，若干第一电极和若干第二电极以第二基底层的几何中心为圆心相互间隔设置，且第一电极与第二电极之间设有间隙；第一基底层和第二基底层通过彼此设有的凸缘和凹槽插装在一起，从而使摩擦单元与第一电极和第二电极能相互转动及接触摩擦；其中第一摩擦发电部件和第二基底层采用4d打印技术制备而成。

优选地，所述4d打印采用形状记忆聚合物或自修复材料，采用熔融沉积式打印、油墨直写打印或数字光处理打印。

优选地，所述摩擦单元表面具有凸起或凹槽。

优选地，在所述第二基底层的表面喷涂具有导电物质的溶液并将溶剂挥发后得到所述第一电极和第二电极，所述导电物质包括银纳米线、碳纳米管或石墨烯。

优选地，所述第一摩擦发电部件和第二摩擦发电部件的纵向截面形状为多边形或曲边状。

优选地，每个所述摩擦单元对应的圆心角为a，相邻两个摩擦单元之间相隔相同的圆心角b；每个第一电极对应的圆心角为c，每个第二电极对应的圆心角为e，其中a＝c＝d，b＝c+2*e。

本发明的进一步目的是提供一种自供能传感系统，将所述基于4d打印技术的摩擦纳米发电机装配在关节处，其中第一摩擦发电部件和第二摩擦发电部件装设在关节的一侧，当关节发生运动时带动其中一个摩擦发电部件与另一个摩擦发电部件之间发生相对转动从而产生交流电信号，根据交流电信号的特征即可推断关节运动的角度。

本发明的第三个目的是提供一种基于所述自供能传感系统的关节转动角度的检测方法，包括以下步骤：

s1、分别测得不同转动角度下所述摩擦纳米发电机输出电信号的相位，并建立“转动角度—输出电信号相位”的对应关系表；

s2、实时获取安装在关节处的所述自供能传感系统的输出电信号，并对所述输出电信号做进行平滑和降噪处理；

s3、检测步骤s2中经过平滑和降噪处理后的输出电信号对应的相位信息；

s4、根据步骤s1中标定“转动角度-输出信号相位”的对应关系表，将输出电信号的相位信息进行匹配；

s5、根据s4中输出电信号的相位信息与转动角度的匹配结果，获取关节转动角度。

优选地，在步骤s2中，在关节处同时安装多个自供能传感系统，相应地在步骤s3中求取多个经过平滑和降噪处理后的输出电信号对应的相位信息的平均值作为最终的相位信息。

本发明的第四个目的是提供一种4d打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：

s1、设计出独立层式摩擦纳米发电机模型；

s2、建模后对该模型的工作过程进行受力分析并对电势场分布进行仿真测试；

s3、将测试好的模型导入切片软件进行切片分层，根据模型的实际结构选择加工顺序并生成加工指令；

s4、将加工指令导入3d打印机，分别完成对第一摩擦发电部件和第二基底层的打印加工；若加工过程中打印产品出现不符合使用要求的问题，则返回s1，重新完成模型的设计和仿真测试并生成新的加工指令；

s5、将打印加工完成的第二基底层的表面使用喷涂机喷涂掺有导电物质的挥发溶液，将溶剂挥发后即可得到第一电极和第二电极；

s6、将制备有第一电极和第二电极的第二摩擦发电部件和第一摩擦发电部件装配成摩擦纳米发电机。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明通过将4d打印技术引入到摩擦纳米发电机的制备中，设计并制备一个独立层式摩擦纳米发电机。首先，4d打印技术的引进，使得摩擦纳米发电机实现了个性化、高精度、高效率的制备，并且可以在摩擦单元表面制作表面凸起或凹槽，以增大接触面积，进而提升摩擦纳米发电机的输出性能；其次，使用形状记忆材料制得的摩擦纳米发电机还具备形状记忆功能，当使用过程中出现有器件变形导致的性能衰减时，只需将变形的器件置于一定条件下，器件的形状就能得到恢复，性能也会随之恢复，从而间接提高了摩擦纳米发电机的使用寿命。

2、本发明将所述独立层式摩擦纳米发电机装配在关节处作为自供能传感系统并结合一种新的关节转动角度的检测方法，将所述摩擦纳米发电机用于检测关节运动的自供能传感器。不同于以往的传感式摩擦纳米发电机通过检测输出信号的强弱来实现检测的方法，本发明从摩擦纳米发电机输出信号的原理出发，根据摩擦发电组件之间相对转动角度与输出电信号的特征之间的关系，来判断关节运动的角度，这种方式可以有效规避由于器件性能衰减造成的检测误差，从而提高检测的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的第一摩擦发电部件表面的俯视图。

图2为本发明实施例1提供的基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的第二摩擦发电部件表面的俯视图。

图3为本发明实施例1提供的基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的横截面示意图。

图4为本发明实施例1提供的基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的工作流程第一步骤示意图。

图5为本发明实施例1提供的基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的工作流程第二步骤示意图。

图6为本发明实施例1提供的基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的工作流程第三步骤示意图。

图7为本发明实施例1提供的基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的工作流程第四步骤示意图。

图8为本发明实施例2提供的自供能传感系统检测人体关节运动的装配示意图。

图9为本发明实施例2提供的自供能传感系统的电压变化图。

图10为本发明实施例3提供的基于所述自供能传感系统的人体关节转动角度的检测方法步骤流程图。

图11为本发明实施例4提供的一种基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法步骤流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

参见图1-3，一种基于4d打印技术的摩擦纳米发电机，包括可相对转动的第一摩擦发电部件1和第二摩擦发电部件2；所述第一摩擦发电部件1包括第一基底层11、设置在第一基底层11表面的摩擦单元12，所述若干摩擦单元12以第一基底层11的几何中心为圆心间隔排列；所述第二摩擦发电部件2包括第二基底层21、设置在第二基底层21表面的第一电极22、第二电极23，若干第一电极22和若干第二电极23以第二基底层21的几何中心为圆心相互间隔设置，且第一电极22与第二电极23之间设有间隙；第一基底层11和第二基底层21通过彼此设有的凸缘24和凹槽13插装在一起，从而使摩擦单元12与第一电极22和第二电极23能相互转动及接触摩擦；其中第一摩擦发电部件1、第二基底层21采用4d打印技术制备而成。

具体地，所述第一摩擦发电部件1、第二基底层21使用形状记忆聚合物或自修复材料，进一步地，打印线材可以是聚氨酯。采用采用熔融沉积式打印、油墨直写打印或数字光处理打印等3d打印方法打印制得；第一电极22和第二电极23则使用喷涂机喷涂含有导电物质的溶液，在掩膜版的作用下，得到相应的电极图案，最后将溶剂挥发，即可得到相应的电极层。所述导电物质包括银纳米线、碳纳米管或石墨烯。进一步具体地，制备导电层所用的溶液可以是银纳米线甲醇溶液。

具体地，所述第一基底层11和第二基底层21的纵向截面形状为多边形或曲面形，进一步可设置为正多边形或圆形。所述摩擦单元12为矩形、三角形或扇形形状。每个所述摩擦单元12对应的圆心角为a，相邻两个摩擦单元12之间相隔相同的圆心角b；每个第一电极22对应的圆心角为c，每个第二电极23对应的圆心角为e，其中a＝c＝d，b＝c+2*e。

在具体实施过程中，第一摩擦发电部件1与第二摩擦发电部件2通过设置在二者几何中心处的凸缘24和凹槽13组装在一起，使摩擦单元12与第一电极22和第二电极23相互接触，组成一个独立层式摩擦纳米发电机。其中所述凸缘24和凹槽13的截面形状为圆形。为了增大有效接触面积，若干摩擦单元12表面可通过4d打印技术得到表面凸起或凹槽图案，进而增大摩擦纳米发电机的输出性能，当第一摩擦发电部件1与第二摩擦发电部件2发生相对转动时，在摩擦起电与静电感应的作用下，摩擦纳米发电机产生交流电。

下面，将对本实施例的4d打印摩擦纳米发电机的工作原理进行说明：

本实施例中的摩擦纳米发电机的工作模式为独立层式，如图4-7所示，在外力作用下，第一电极22和第二电极23以凸缘和凹槽为中心相对摩擦单元转动；在转动过程中，若干摩擦单元12交替与第一电极22、第二电极23重叠，影响电极表面的电荷分布，从而导致第一电极22和第二电极23之间产生电势差；当第一电极22与第二电极23之间存在电学连接时，摩擦纳米发电机在外电路中产生一个交变电流信号，当第一电极22和第二电极23之间开路时，摩擦纳米发电机对外输出输出一个交变电压信号；具体来说，当发生摩擦时，摩擦单元由于具有较大的电负性，因此表面带上负电荷；当若干摩擦单元12与若干第一电极22完全重叠时，在静电感应的作用下，若干第一电极22表面出现与若干摩擦单元12等量的正电荷，此时若干第二电极23表面无电荷，因此第一电极22和第二电极23之间存在一个电势差；随着摩擦单元继续转动，直至完全覆盖第二电极23，此时第一电极22表面出现与摩擦单元12等量的正电荷，而第一电极22表面无电荷，因此第二电极23与第一电极22之间存在一个电势差；当外力持续产生作用时，上述发电周期就会循环发生。

摩擦纳米发电机时常会因为部分组件的变形导致器件的性能出现下降，这极大地影响了摩擦纳米发电机工作的稳定性和使用寿命；而本实施例中以聚氨酯为打印线材，通过4d打印技术制得的上述摩擦纳米发电机由于具有形状记忆功能，当出器件变形导致器件性能衰减时，将变形的器件置于60℃的条件下加热1min后，器件的形状就能恢复原状，经测试发现，器件的性能也能得到有效恢复。

实施例2

本实施例提供了一种基于实施例一的自供能传感系统，将所述基于4d打印技术的摩擦纳米发电机装配在人体关节处，其中第一摩擦发电部件1和第二摩擦发电部件2装设在人体关节的一侧，当人体关节发生运动时带动其中一个摩擦发电部件与另一个摩擦发电部件之间发生相对转动从而产生交流电信号，根据交流电信号的特征即可推断关节运动的角度。具体地，设置a＝c＝d＝29°，b＝31°，e＝1°。在实际应用中，自供能传感系统检测精度会根据上述参数的变化而变化。

当摩擦单元12位于第一电极22和第二电极23的中间位置时，此时第一电极22和第二电极23表面分布有等量的正电荷，且两电极之间没有电势差，此时对应图8中的i点。

当摩擦单元12转动15°时，此时摩擦单元与第一电极22完全重叠，在静电感应的作用下，第一电极22表面出现与摩擦单元表面的负电荷等量的正电荷，此时第一电极22与第二电极23之间的电势差达到最大值；当摩擦单元12沿着同一方向转动15°时，摩擦单元12再次到达第一电极22与第二电极23的中间位置，此时第一电极22与第二电极23表面有等量的正电荷，电极之间的电势差消失，对应图8中的从i点到ii点之间的电势差变化曲线。

当摩擦单元沿着相同方向转动30°时，电极间的电势差先出现后归零，对应图8中的从ii点-iii点、从iii点-iv点之间的电势差变化曲线。

因此，观察摩擦单元的转动角度与输出波形，我们可以发现，当相对转动角度分别为30°、60°、90°时，传感器产生的波形相位分别为π、2π、3π；因此，根据传感器产生的输出波形的相位特征，我们就可以得知第一摩擦发电组件与第二摩擦发电组件的相对转动角度，即关节的转动角度；

值得注意的是，相对转动角度与波形相位之间并不是一成不变的(30°，π)、(60°，2π)、(90°，3π)的关系，具体的对应关系受到器件的具体结构影响，也就是说每个所述摩擦单元12对应的圆心角为a、相邻两个摩擦单元12之间相隔相同的圆心角、每个第一电极22对应的圆心角为c、每个第二电极23对应的圆心角为e的数值会影响最终的判断结果。

另外，所述自供能传感系统的应用场景不局限于人体关节，而是多种发生转动的位置，例如工业机器人手臂等。所述基于4d打印技术的摩擦纳米发电机装配在不同的关节处时，具有不同的尺寸大小，例如装在人的肘部关节、腕部关节和指部关节的摩擦纳米发电机的尺寸是由大变小进行变化的。

图9展示了在指部关节处自供能传感系统的检测结果，可以看出，当关节分别转动30°、60°、90°时，传感器输出电信号波形的相位分别为π、2π以及3π，且峰值电压维持在0.7v左右；当器件出现变形时，可以看出，传感器输出电信号的相位没有发生变化，仅仅是峰值电压出现了下降，降至0.3v左右，衰减了约55％；然而，将变形的传感器置于60℃的条件下加热1min后，传感器的形状得以恢复，从图8中的数据可以看出，传感器输出的性能也得以恢复，相位特征相通，峰值电压也恢复至0.7v左右。

实施例3

参见图10，本实施例提供了一种基于所述自供能传感系统的人体关节转动角度的检测方法，包括以下步骤：

s1、分别测得不同转动角度下所述摩擦纳米发电机输出电信号的相位，并建立“转动角度—输出电信号相位”的对应关系表；

s2、实时获取安装在人体关节处的所述自供能传感系统的输出电信号，并对所述输出电信号做进行平滑和降噪处理；

s3、检测步骤s2中经过平滑和降噪处理后的输出电信号对应的相位信息；

s4、根据步骤s1中标定“转动角度-输出信号相位”的对应关系表，将输出电信号的相位信息进行匹配；

s5、根据s4中输出电信号的相位信息与转动角度的匹配结果，获取人体关节转动角度。

其中，在步骤s2中，可在人体关节处同时安装多个自供能传感系统，相应地在步骤s3中求取多个经过平滑和降噪处理后的输出电信号对应的相位信息的平均值作为最终的相位信息。

本实施例提出的自供能传感器采用一种新的检测方法，基于独立层式摩擦纳米发电机的工作原理，根据摩擦纳米发电机在不同条件下输出波形的相位关系，来判断关节的运动情况，在工作过程中，即使出现器件变形导致的性能衰减，也不会影响传感器进行有效地检测，从而大大地提高了传感器检测的可靠性。

实施例4

一种4d打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法，参见图11，包括以下步骤：

s1、设计出独立层式摩擦纳米发电机模型；

s2、建模后对该模型的工作过程进行受力分析并对电势场分布进行仿真测试；

s3、将测试好的模型导入切片软件进行切片分层，根据模型的实际结构选择加工顺序并生成加工指令(如gcode代码)；

s4、将加工指令导入3d打印机，分别完成对第一摩擦发电部件1、第二基底层21的打印加工；若加工过程中打印产品出现出现坍塌、变形或影响装配等不符合使用要求的问题，则返回s1，重新完成模型的设计和仿真测试并生成新的加工指令(如gcode代码)；

s5、将打印加工完成的第二基底层的表面使用喷涂机喷涂掺有导电物质的挥发溶液，将溶剂挥发后即可得到第一电极22和第二电极23；

s6、将制备有第一电极22和第二电极23的第二摩擦发电部件2和第一摩擦发电部件1装配成摩擦纳米发电机。

其中步骤s2中使用3dsmax软件进行建模，并使用comsol等软件对该模型的工作过程进行受力分析并对电势场分布进行仿真测试。

上述基于4d打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法也可以用于制作多种模式的摩擦纳米发电机的制备，包括但不限于横向滑动模式、单电极模式以及接触-分离模式。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。