[发明专利]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

权利要求书

1.一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于，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，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)和第二基底层(21)采用4D打印制备而成。

2.根据权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于所述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。

3.根据权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于所述摩擦单元(12)表面具有凸起或凹槽。

4.根据权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于在所述第二基底层(21)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(22)和第二电极(23)，所述导电物质包括银纳米线、碳纳米管或石墨烯。

5.根据权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一基底层(11)和第二基底层(21)的纵向截面形状为多边形或曲边形。

6.根据权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于每个所述摩擦单元(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。

7.一种自供能传感系统，其特征在于将权利要求1-6任一项所述基于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(1)和第二摩擦发电部件(2)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。

8.一种基于权利要求7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。

9.根据权利要求8所述的基于自供能传感系统的关节转动角度的检测方法，其特征在于在步骤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。

10.一种权利要求1-7任一项所述的4D打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

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(1)和第二基底层(21)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(21)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)的第一基底层(11)和第二基底层(21)装配成摩擦纳米发电机。