【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人领域，特别涉及一种轻质水上机器人及其应用。
技术介绍
1、软体机器人具有微型化、可控变形、连续运动和高适应性等特征，可实现复杂环境和极端场景下能量获取、信息采集和环境感知等功能，是未来机器人技术发展的重要方向之一。水环境污染已成为全球性问题，严重危害水生物和人类的生命健康。开发智能化水生生态系统，实现对水体环境、水质污染及水生物状态的连续监测，对全球水环境可持续发展有重大意义。设计开发水上机器人，实现对环境能量的主动获取、对水环境信息的主动监测和实时反馈，有利于建立水体、水生生物与人类之间的实时信息交互，对促进智能水生生态系统和环境可持续发展意义重大。然而，传统水生机器人功能单一，通常只能满足运动、或简单信息的获取，无法同时协调水上运动、能量收集和主动传感能力，极大限制了它们在对环境主动感知领域的应用。研究开发可水上自主运动，同时将其运动机械能转化为电能，同步实现对环境信息主动感知的机器人，对推动机器人产业在构建智能水生生态系统和相关领域的发展有巨大意义。
2、协调装置设计同时实现水上自主运动、主动发电和传感检测功能有望开发具有环境主动感知能力的水生机器人。摩擦电纳米发电机（teng）是一种典型的自供电技术，能够将环境中微小的机械能转化为电能，在微电源和自供电传感器领域有重应用潜力。传统的液-固摩擦纳米发电机通常依赖于流体与静态装置间的周期性接触分离并产生电能输出。然而目前没有研究关注水上连续运动的装置对水的摩擦电能的同步采集及应用，其中主要面临的挑战是装置在连续运动时有接触无分离、难以采集水能，
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种轻质水上机器人及其应用。
2、本专利技术的一种水上机器人，所述水上机器人包括电极、轻质材料与功能填料和/或燃料泵，同时水上机器人在水体上自主运动，并同时产生电能输出，能主动感知环境信息。
3、主动感知环境信息包括：主动检测水体污染物浓度、水质、感知水生生物状态中的至少一种。
4、进一步地，所述机器人基于疏水绝缘轻质材料和功能填料或燃料泵设计成型，在不同驱动下实现了水上自主运动/航行。
5、优选地，所述电极为图案化电极；
6、优选地，所述图案化电极为单个连续电极或多个非连续电极单元组成的图案；所述图案为平形电极图案、方形电极图案、圆形电极图案中的一种或几种；
7、进一步优选地，所述非连续电极图案为平等间隔开的圆形电极图案。
8、优选地，所述电极为导电胶带、导电薄膜、导电涂层中的一种或几种；其中导电胶带为导电布胶带、导电硅胶胶带、导电塑料胶带、导电橡胶胶带、导电金属胶带中的一种或几种。
9、优选地，所述电极中的导电组分包括铂、金、银、铜、镍、铝、碳材料、石墨烯、mxene、碳纳米管、导电聚合物、导电改性材料中的一种或几种。
10、优选地，所述电极设于轻质材料顶部，用于收集机器人与水体之间的相互作用产生的摩擦电能。
11、优选地，所述轻质材料为气凝胶、塑料泡沫、多孔聚合物材料、纤维、多孔木材、金属泡沫、植物叶片中的一种或几种。
12、优选地，所述气凝胶为无机气凝胶（如，tio2气凝胶、sio2气凝胶、sic纤维气凝胶）、有机气凝胶（如，tempo氧化纤维素气凝胶（tcnf）、微晶纤维素气凝胶、聚偏氟乙烯气凝胶）、有机/无机气凝胶复合材料（如，tcnf/mxene气凝胶、乙基纤维素/ fe3o4气凝胶、tcnf/ tio2气凝胶）中的至少一种。
13、进一步优选地，所述气凝胶材料为纤维素基气凝胶。纤维素是一种天然的、多样化且可持续的生物质材料，是地球上最丰富的可再生聚合物。气凝胶是一种以气体为分散介质，具有连续三维网络结构的超轻型多孔材料。纳米纤维素基气凝胶具有优异的性能，包括密度较低、环境友好性、生物相容性、可降解性和绿色可再生性等，在储能、吸附、隔热等领域得到了广泛应用。本领域技术人员可以依据使用目的选择合适的纤维素基气凝胶，纤维素基气凝胶的疏水性、绝缘性越强，水上机器人的自主运动越快、越稳定。
14、所述气凝胶制备方法为溶胶-凝胶法、无机铝盐法、快速凝胶法、模板法、乳液法、浸渍法、化学气相沉积法、3d打印法、碳热还原反应法中的一种或几种，经干燥获得。所述干燥方式为超临界干燥、亚临界干燥法、冷冻干燥法、真空干燥法、常压干燥法、传导干燥法、蒸馏干燥法。
15、优选地，所述塑料泡沫为聚苯乙烯泡沫塑料、聚丙烯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、聚碳酸酯泡沫塑料、聚四氟乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚酰胺泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚酯泡沫塑料、酚醛树脂泡沫塑料、环氧树脂泡沫塑料、聚乙烯醇泡沫塑料中的一种或几种。
16、优选地，所述多孔聚合物材料为多孔橡胶类材料、多孔聚烯烃类材料、多孔弹性体类材料中的一种或几种。
17、优选地，所述纤维为纤维碎片、薄膜或毛皮。
18、优选地，所述多孔木材为木材、物理改性多孔木材、化学法改性多孔木材中的一种或几种；其中木材包括杨木、柳木、泡桐木、梧桐木、桦木、红松木、禾木中的一种或几种。
19、优选地，所述多孔橡胶类材料为天然橡胶，异戊橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、聚氨基甲酸酯橡胶中的一种或几种；所述多孔聚烯烃类材料为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯辛烯共弹性体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。
20、进一步优选地，所述天然橡胶材料为环氧化天然橡胶。
21、优选地，所述多孔弹性体类材料为热塑性苯乙烯类弹性体 tps、热塑性聚烯烃弹性体 tpo、热塑性硫化橡胶 tpv、聚二甲基硅氧烷pdms、苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯嵌段共聚物sis、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物sebs、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物eva、eco-flex中的一种或几种；
22、进一步优选地，所述纤维为植物纤维碎片、植物纤维薄膜、动物纤维毛皮、动物纤维碎片、矿物纤维碎片、矿物纤维薄膜、人造纤维（再生纤维）碎片、人造纤维薄膜、合成纤维碎片、合成纤维薄膜、无机纤维碎片、无机纤维薄膜、纤维气凝胶、泡沫材料中的一种或几种。
23、进一步优选地，所述纤维薄膜为聚偏氟乙烯纤维膜、聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯基薄膜中的至少一种。
24、进一步优选地，所述泡沫材料为发泡聚丙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫中的至少一种。
25、优选地，所述轻质材料为疏水绝缘轻质材料；所述疏水绝缘轻质材料拥有疏水或斥水特性，密度为1g/cm3以下；
26、优选地，所述疏水绝缘轻质材料为本征疏水绝缘轻质材料、经疏水和/或绝缘处理的疏水绝缘轻质材料中的一种或几种；
27、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水上机器人，其特征在于，所述水上机器人包括电极、轻质材料与功能填料和/或燃料泵，同时水上机器人在水体上自主运动，并同时产生电能输出。
2.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述电极为图案化电极；
3.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述轻质材料为气凝胶、塑料泡沫、多孔聚合物材料、纤维、多孔木材、金属泡沫、植物叶片中的一种或几种；
4.根据权利要求3所述水上机器人，其特征在于，所述无机气凝胶包括TiO2气凝胶、SiO2气凝胶、SiC纤维气凝胶中的一种或几种；所述有机气凝胶包括TEMPO氧化纤维素气凝胶TCNF、微晶纤维素气凝胶、聚偏氟乙烯气凝胶中的一种或几种；有机/无机气凝胶复合材料包括TCNF/MXene气凝胶、乙基纤维素/ Fe3O4气凝胶、TCNF/ TiO2气凝胶中的一种或几种；
5.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述轻质材料为疏水绝缘轻质材料；所述疏水绝缘轻质材料拥有疏水或斥水特性，密度为1g/cm3以下；
6.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述功能填料为电化学功
7.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述水体上自主运动，其中水体为超纯水、蒸馏水、去离子水、自来水、河水、湖水、海水、雨水、工业废水、生活污水、农业废水中的一种或几种；所述自主运动为通过马兰戈尼效应、电化学推动、电磁驱动、磁驱动、光热驱动中的一种或几种产生的自主运动；其中自主运动方式为间歇运动、振荡运动、连续运动中的一种或几种；
8.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，通过调节不同水体种类、水体中杂质种类、水体中杂质浓度、机器人运动轨迹、燃料种类、燃料用量、电极图案、电极数目中的至少一种，调控水上机器人运动产生差异化电压，通过差异化电压实现对水环境信息的主动感知和/或检测，或通过装载生物响应燃料泵或功能填料的机器人可以与水生生物相互作用。
9.一种权利要求1所述水上机器人在环境、能源、信息、智能水生生态系统、国防领域中的应用。
10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述环境领域的应用为环境探索、自主水质检测、污染源定位中的一种或几种；
...【技术特征摘要】
1.一种水上机器人，其特征在于，所述水上机器人包括电极、轻质材料与功能填料和/或燃料泵，同时水上机器人在水体上自主运动，并同时产生电能输出。
2.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述电极为图案化电极；
3.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述轻质材料为气凝胶、塑料泡沫、多孔聚合物材料、纤维、多孔木材、金属泡沫、植物叶片中的一种或几种；
4.根据权利要求3所述水上机器人，其特征在于，所述无机气凝胶包括tio2气凝胶、sio2气凝胶、sic纤维气凝胶中的一种或几种；所述有机气凝胶包括tempo氧化纤维素气凝胶tcnf、微晶纤维素气凝胶、聚偏氟乙烯气凝胶中的一种或几种；有机/无机气凝胶复合材料包括tcnf/mxene气凝胶、乙基纤维素/ fe3o4气凝胶、tcnf/ tio2气凝胶中的一种或几种；
5.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述轻质材料为疏水绝缘轻质材料；所述疏水绝缘轻质材料拥有疏水或斥水特性，密度为1g/cm3以下；
6.根据权利要求1所述水上机器人，其特征在于，所述功...
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