CN102798592A - 肌纤维实时变频调控微纳驱动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其包括中央处理模块、三个结构相同的实验槽模块、电机伺服平台模块、显微观测模块、数据处理模块与环境调控模块，其中，所述中央处理模块与所述三个实验槽模块、电机伺服平台模块、显微观测模块和数据处理模块相连；所述数据处理模块与所述显微观测模块相连；所述环境调控模块与所述三个实验槽模块分别相连；所述显微观测模块与所述三个实验槽模块分别相连。本发明平台结构紧凑，耐用而稳定；可提供刺激脉冲变频发放的功能，并且突破了常规肌纤维实验平台的单自由度限制，使平台可用于二维平面内的肌纤维复杂运动控制实验，为肌肉控制学原理的探索与4M模型的进一步验证提供了实验手段。

Description

肌纤维实时变频调控微纳驱动平台

技术领域

本发明涉及一种通用的动物肌细胞(肌纤维)的二维生物电化学/力学实验平台，特别地，涉及一种肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其针对肌纤维运行控制学原理的探索及骨骼肌4M模型的验证。

背景技术

有关骨骼肌运行机制的研究在国内外已开展多年，因其对生理学、生命科学及康复科学的重要价值一直是学术界的前沿问题及研究热点。从目前来看，相关研究主要在以下三个尺度上开展：1)从微观上，研究主要集中在肌球蛋白(分子马达)与肌动蛋白的相互作用机理、单个肌球蛋白的力产生机制及肌球蛋白的集体运作机制上；2)从介观上，主要研究包括肌纤维/肌小节的等长/等负载收缩力与其长度/收缩速度的关系，以及肌纤维的疲劳特性等；3)从宏观上，研究集中在肌电信号(electromyography，EMG)与肌肉运行模式及状态的关系，以及肌肉的疲劳与病理特性等方面。

对现有技术文献的检索结果显示，在国内，针对肌纤维尺度的骨骼肌力学实验十分稀少，对活性肌纤维组织的研究也较为宏观；而在国外，对肌纤维力学性质的研究已开展多年，因此也出现了多种肌纤维实验平台，其平台架构也都较为类似。例如，在早期的文献《Tension development in highly stretched vertebrate musclefibres》(《The Journal of Physiology》，1966年第184期)中Gordon等人采用了玻璃条制成的实验槽(用于容纳肌纤维)，肌纤维两端分别与旋转伺服电机滑块机构及力传感器相连，并且肌纤维上粘贴了一对微型反光标记物，使用光电位置传感器以检测标记物之间的肌小节长度，以此考察肌小节的等长收缩力学特性，故此平台可测量肌纤维/肌小节的等长/等负载收缩力。之后的学者对这个系统进行了诸多改进，最具代表性的是，在文献《Measurement of sarcomere shortening in skinned fibersfrom frog muscle by white light diffraction》(《Biophysical Journal》，1987年第52期)中Goldman使用白光衍射技术来检测肌小节长度；在文献《Comparison of thetension responses to ramp shortening and lengthening in intact mammalian musclefibres：crossbridge and non-crossbridge contributions》(《Journal of Muscle Researchand Cell Motility》，2007年第28期)中Ranatunga等人将实验槽改为铝制，因而系统的耐用度及移动性都有所增加，并使用了音圈电机以避免旋转与直线运动的转换，平台主要采用氦氖激光衍射技术反馈肌小节的长度，并用肌纤维上的标记以及光电位置传感器作为验证，此外，系统还加入了温度传感器以研究环境溶液的温度对肌纤维力学特性的影响。

然而，现有的实验平台都存在以下缺点：i)系统的集成度不高，拆装复杂，不利于实验槽的清洗和维护；ii)对肌小节长度实施检测的装置十分复杂(若采用光路衍射方式则更为复杂)，对环境要求苛刻且稳定性不高；iii)更重要的，这些平台都是针对肌纤维的力学特性而开发，对肌纤维的刺激皆采用简单的脉冲电位形式，无法应用于肌纤维运行调控原理的研究，亦无法胜任肌纤维收缩的实时控制；iv)现有的平台都只有一个自由度，无法对肌纤维的复杂控制进行实验研究。

另一方面，学术界对肌纤维运作的控制学原理的理解还十分肤浅，因此相关研究处于骨骼肌研究的最前沿。对于骨骼肌的生物力学特性，目前主要有两种理论：Hill等人基于肌肉的实验提出肌肉的宏观力学模型，描述了骨骼肌的长度、收缩速度与收缩力之间的关系；而Huxley等人则基于分子马达运行机制的理论假设，总结出肌小节的微观动力学模型。前者忽略了肌肉收缩的最根本机理，无法反映骨骼肌的微观生物力学特性，而后者则主要适用于肌小节尺度的力学分析。因此这两类模型之间缺乏从微观到宏观的衔接，存在各自的局限性。最近，一个新的骨骼肌生物力学模型——4M模型已被提出，此模型通过自底向上的方法，完成了肌肉微观与宏观力学特性的统一，但尚缺相关的实验平台。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其针对骨骼肌介观力学与控制学原理的实验研究所设计，为通用的二维肌纤维实验研究平台，能够满足实时高精度的力位并环控制要求，可对4M模型进一步验证，并且实现刺激脉冲的动态变频发放，使其能够用于肌纤维的控制学原理研究与复杂运动控制。

具体地，本发明所要解决的技术问题主要包括：

(1)开发一种新型的高集成度与模块化的肌纤维实验系统，方便搭建与改装，且具备高耐用性与稳定性；

(2)提供一套高精度的肌纤维位移(亚微米级)-力(微牛级)传感及实时检测方法，包括高精度及高稳定性的力位并环控制策略；其中对于肌小节长度的检测，满足简单稳定的要求；

(3)除了能够胜任普通的肌纤维生物力学性质研究，平台还需提供刺激电脉冲的动态变频发放的功能，以使平台能够应用于肌纤维控制学原理的研究与验证；

(4)除了普通的单自由度肌纤维实验，平台还能够完成二维平面内的肌纤维复杂运动控制实验，以进一步对骨骼肌4M模型进行验证。

为实现上述目的，本发明提供了一种肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其包括中央处理模块、三个结构相同的实验槽模块、电机伺服平台模块、显微观测模块、数据处理模块与环境调控模块，其中，所述中央处理模块与所述三个实验槽模块、电机伺服平台模块、显微观测模块和数据处理模块相连；所述数据处理模块与所述显微观测模块相连；所述环境调控模块与所述三个实验槽模块分别相连；所述显微观测模块与所述三个实验槽模块分别相连。

如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，所述中央处理模块与所述三个实验槽模块、电机伺服平台模块的信息传递是双向的，并单向接收所述显微观测模块的信息，单向输出信息给所述数据处理模块；所述三个实验槽模块单向输出信息给所述显微观测模块，所述显微观测模块单向输出信息给所述数据处理模块，所述环境调控模块与所述三个实验槽模块之间存在双向信息传递。

如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，所述中央处理模块包括基于骨骼肌4M模型的控制模块与溶液温度控制模块；其中所述基于骨骼肌4M模型的控制模块包括力位并环控制模块与刺激变频发放模块。

如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，所述实验槽模块包括微力传感器、脉冲刺激电极、温度传感器、任氏液循环接口以及肌纤维连接装置；其中所述肌纤维连接装置包括T型铝箔卡子与不锈钢钩子；所述脉冲刺激电极是铂盘电极，平行置于肌纤维两侧以引发其收缩；所述温度传感器是珀尔贴效应传感器，置于任氏液中以实时监控生理环境温度；搜书任氏液循环接口位于实验槽的槽壁上，用于连接蠕动泵的软管以使槽内溶液不断更新。

如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，所述电机伺服平台模块包括音圈电机驱动模块、光栅位移传感模块与手动位置微调模块；其中，所述音圈电机驱动模块包括滑块导轨机构和音圈电机驱动，所述滑块导轨机构中的滑块与实验槽中的肌纤维连接装置相连；所述光栅位移传感模块包括光栅尺、读头以及编码器，用于实时反馈音圈电机驱动模块的位移、肌纤维的长度与收缩速度；所述手动位置微调模块最底端是具有z方向粗调功能的升降台，升降台上固定有带千分尺的y方向微调滑台，所述y方向微调滑台上再固定有带千分尺的x方向微调滑台。

如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，所述显微观测模块包括倒置生物显微镜、高速摄影模块、LED照明模块与光电位置传感模块；其中，所述倒置生物显微镜带有三目镜筒；所述高速摄影模块用于获取肌纤维收缩的动态影像以及在二维实验中的中心标记物的运动过程；所述LED照明模块安装于所述倒置生物显微镜下方的物镜顶端；所述光电位置传感模块安装在所述倒置显微镜的三目镜筒上。

进一步地，如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，在单自由度实验中，所述光电位置传感模块采用一维光电位置传感器，以反馈肌纤维上两个反光标记物之间的距离；在二维肌纤维运动控制实验中，所述光电位置传感模块采用二维光电位置传感器，以反馈中心反光标记物的位置/速度。

如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，所述数据处理模块包括数据存储模块、图像处理模块与数据显示模块。

如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，所述环境调控模块包括任氏液循环模块与任氏液加热模块；其中所述任氏液循环模块由溶液库与蠕动泵组成，所述任氏液加热模块集成在溶液库中。

如上述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其中，其中电机伺服平台模块、所述实验槽模块中的肌小节长度标记物只在单自由度实验中使用。

与现有的肌纤维实验平台相比，本发明的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台具有以下有益的技术效果：

(1)整个系统的功能高度模块化，而且结构非常紧凑，耐用且稳定

实验槽模块集成了微力传感器、刺激电极、温度传感器与肌纤维一侧的连接装置，并且刺激电极与微力传感器拆卸容易，方便了实验槽的清洗与维护；肌纤维另一侧的连接装置集成在电机伺服平台模块上，电机伺服平台模块集成了高精度位移传感器与手动调整功能；此外，反光标记物的照明功能与光电位置传感器直接集成在显微镜上，光路简单，无论使用还是装卸都十分方便。

(2)除了具有普通的肌纤维力学实验功能，还提供了刺激电脉冲变频发放的功能，因而可用来探索与验证肌肉的控制学原理；

(3)本发明突破了常规同类实验平台的单自由度限制，使得平台可用于二维平面内的肌纤维复杂运动控制实验，为4M模型的进一步验证提供了实验手段。

附图说明

图1是本发明的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台的系统框架图。

图2是本发明的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台的单自由度应用实例图；

图3是本发明的实验槽的结构示意图；

图4是本发明的LED照明模块的结构示意图；

图5(a)是本发明的从显微镜上方俯视的光电位置传感模块的结构示意图；

图5(b)是本发明的从三目镜筒内向光电位置传感器端仰视的光电位置传感模块的结构示意图；

图6是本发明的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台的二维应用实例图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，本发明的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台包括：中央处理模块、实验槽模块1、实验槽模块2、实验槽模块3、电机伺服平台模块、显微观测模块、数据处理模块与环境调控模块。其中，中央处理模块与实验槽模块1、实验槽模块2、实验槽模块3、电机伺服平台模块、显微观测模块和数据处理模块相连；数据处理模块与显微观测模块相连；环境调控模块与三个实验槽模块分别相连；显微观测模块与三个实验槽模块分别相连。其中电机伺服平台模块、肌小节长度标记物只在系统的单自由度实施例中使用。除环境调控模块以外，中央处理模块与所有其他模块相连，是整个系统的信息实时处理中心。中央处理模块与三个实验槽模块、电机伺服平台模块的信息传递是双向的，而其单向接收显微观测模块的信息，并单向输出信息给数据处理模块。三个实验槽模块单向输出信息给显微观测模块，显微观测模块单向输出信息给数据处理模块，而环境调控模块与三个实验槽模块之间存在双向信息传递。

其中，中央处理模块是整个系统的信息汇总与处理中枢，同时接收肌纤维长度、收缩速度、收缩力、肌小节长度、溶液环境温度以及相关标记物的位置等信息；此模块的核心部分是基于4M模型的理论开发的控制策略，实时接收并处理上述各类信息，然后动态调控肌纤维刺激电脉冲的发放。

实验槽模块1、实验槽模块2与实验槽模块3的功能基本相同。以实验槽模块1为例，其为整个平台硬件系统的中心，用于容纳肌纤维与任氏液，负责肌纤维与外部传感器、驱动器及观测装置的连接。当进行肌纤维二维运动实验时，这三个实验槽模块都将被使用。

电机伺服平台模块用于肌纤维的单自由度力学及控制学实验研究，其功能包括手动调整与校准伺服电机的位置，实时控制与反馈肌纤维的长度与收缩速度，以及改变肌纤维的收缩力。

显微观测模块用于肌纤维及其运动状态的观测，便于肌纤维的安装、肌纤维上标记物的照明，其功能还包括实时检测与反馈各类标记物的位置，以及获取肌纤维的运行影像等。

数据处理模块用于记录、存储与处理系统的输入输出数据与相关影像，以及实时显示各类数据等。

环境调控模块的主要功能是维持肌纤维所处的生理环境，保证任氏液的循环与更新，以及调节任氏液的温度。

具体地，中央处理模块包括：基于骨骼肌4M模型的控制模块与溶液温度控制模块。其中基于骨骼肌4M模型的控制模块包括力位并环控制模块与刺激变频发放模块。力位并环控制模块接收微力传感器所反馈的肌纤维收缩力信息、以及由光电位置传感器或光栅位移传感器所反馈的肌小节长度、肌纤维长度/收缩速度以及相关标记物的位置信息，通过基于4M模型开发的控制策略，将力位并环控制模块接收的信息作为输入，计算所需的刺激脉冲频率，并通过刺激变频发放模块，输出频率动态变化的电脉冲序列到电极，实时调控肌纤维的运行状态。

实验槽模块包括：微力传感器、脉冲刺激电极、温度传感器、任氏液循环接口以及肌纤维连接装置。实验槽主体由高分子材料聚砜脂(PSU)加工而成，此材料具有很好的刚度、可加工性、绝缘性、热稳定性与抗腐蚀性，非常适合于活细胞实验。其中肌纤维连接装置包括T型铝箔卡子与不锈钢钩子，肌纤维通过此装置与微力传感器及外部驱动装置连接。本发明采用灵敏度为微牛级别的微力传感器来实时检测肌纤维的收缩力，脉冲刺激电极是铂盘电极，平行置于肌纤维两侧以引发其收缩，温度传感器是珀尔贴效应传感器，置于任氏液中以实时监控生理环境温度。任氏液循环接口位于实验槽的槽壁上，用于连接蠕动泵的软管以使槽内溶液不断更新。在进行肌纤维的单自由度力学实验时，若需要检测肌小节长度，还需在肌纤维中间区域粘贴一对肌小节长度标记物，其为宽约80μm，间距小于1mm的铝箔标记物。实验槽模块2与实验槽模块3的结构与实验槽模块1相同。

电机伺服平台模块包括：音圈电机驱动模块、光栅位移传感模块与手动位置微调模块。在音圈电机驱动模块中，一个微型滑块导轨机构由行程3～5mm的音圈电机驱动，而滑块则与实验槽中的肌纤维连接装置相连，因此音圈电机驱动模块将直接控制肌纤维的长度与收缩力。光栅位移传感模块包括一个分辨率为20nm的小型光栅尺、读头以及编码器，用于实时反馈音圈电机驱动模块的位移、肌纤维的长度与收缩速度。手动位置微调模块最底端是具有z方向粗调功能的升降台，升降台上固定有带千分尺的y方向微调滑台，此滑台上再固定有带千分尺的x方向微调滑台，手动位置微调模块用于在肌纤维安装之前，校准音圈电机驱动模块与实验槽模块的位置。

显微观测模块包括：倒置生物显微镜、高速摄影模块、LED照明模块与光电位置传感模块。倒置生物显微镜为整个平台的基础，用于肌纤维的安装与观测，并带有三目镜筒。高速摄影模块用于获取肌纤维收缩的动态影像以及在二维实验中的中心标记物的运动过程。LED照明模块安装于倒置生物显微镜下方的物镜顶端，用于照亮相关的反光标记物，为光电位置传感器提供高对比度的光点像。光电位置传感模块安装在倒置显微镜的三目镜筒上，在单自由度实验中，采用一维光电位置传感器，以反馈肌纤维上两个反光标记物之间的距离；在二维肌纤维运动控制实验中，则采用二维光电位置传感器，以反馈中心反光标记物的位置/速度。

数据处理模块包括：数据存储模块、图像处理模块与数据显示模块。中央处理模块所发放的变频刺激脉冲序列、微力传感器所反馈的肌纤维收缩力信号、光栅位移传感器所反馈的肌纤维长度/收缩速度信号、光电位置传感模块所反馈的肌小节长度与中心标记物位置信号，以及肌纤维收缩的图像信号等都将被数据存储模块所记录，为数据分析做准备。图像处理模块用于编辑及校准肌纤维的影像信号，而数据显示模块作为一个观察窗口，用来实时显示系统的运行状况以便及时纠错。

环境调控模块包括：任氏液循环模块与任氏液加热模块。其中任氏液循环模块由溶液库与蠕动泵组成，而任氏液加热模块集成在溶液库中。环境调控模块保证了实验槽中的任氏液不断更新，并且可调节到所需温度。

图2为本发明的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台在肌纤维单自由度生物力学/控制学实验下的一个应用实例。图中，1为倒置生物显微镜，2为一个实验槽模块(实验槽模块1)，置于倒置生物显微镜1的载物台上；13为倒置生物显微镜1的卤素灯光源，14为倒置生物显微镜1的物镜(为清楚地展示系统结构，显微镜的目镜未画出)，21为连接肌纤维与电机伺服平台模块的电机端不锈钢钩子，其直径为50～100μm，电机端不锈钢钩子21通过固紧螺丝与垫片压紧在滑块35上，滑块35的右端面与音圈电机的动子相连，而其底面与微型导轨相连，并且其侧面贴有分辨率为20nm的小型光栅尺；微型导轨固定在电机底座上，并且光栅位移传感器读头36与电机底座相连。通过上述结构，可实时检测滑块35的位移与速度；音圈电机的外筒34固定在电机底座的右端板上；电机底座进一步固定在y向手动位置微调滑台32上，y向手动位置微调滑台32进一步与x向手动位置微调滑台31相连接，此外，千分尺33装于x向手动位置微调滑台31与y向手动位置微调滑台32上，以监测滑动距离；x向手动滑台31进一步与z向手动粗调升降台3相连。

图3是实验槽模块的细节结构示意图。图中，实验槽中央包括一个容积约为3ml的矩形容纳槽，用于盛放肌纤维及任氏液；其中，22为肌纤维，29为力传感器端不锈钢钩子，其与肌纤维22以及微力传感器213相连；21为电机端不锈钢钩子，力传感器端不锈钢钩子29与电机端不锈钢钩子21穿过矩形容纳槽壁上直径为1mm的小孔；215为肌纤维与电机端不锈钢钩子21的连接处，其放大细节进一步展示于图中左上角的圆圈内，其中217为电机端不锈钢钩子21的挂钩端，218为肌纤维22的一端，210是T型铝箔卡子，其开孔与电机端不锈钢钩子21相连，而其两端向内折叠夹紧肌纤维22；23为粘贴在矩形容纳槽底的玻璃悬窗，使显微镜光源、LED照明光源与肌纤维的像得以透过；26为铂盘电极，与肌纤维22平行地放置于矩形容纳槽的两壁，有机玻璃块27通过固紧螺丝将电极与矩形容纳槽壁固定；28为珀尔贴温度传感器，放置于矩形容纳槽的一角；25与24为蠕动泵的进出接口，微力传感器213置于固紧压片212与承载橡胶条211之间，并通过固紧螺丝固定于实验槽基板216上；实验槽基板216上的螺纹孔214用于将实验槽固定在载物台或其它装置上。

图4为LED照明模块的细节结构示意图。图中，14为显微镜的物镜，141为套在显微镜物镜顶端的LED照明基座，其上带有固紧螺杆142，用于将LED照明基座与物镜稳固连接；143为PCB板，用于对LED通电，其中心带有与物镜透镜口同样直径的通光孔；145为贴片式高功率红光LED，固定在PCB板上，共三枚，并紧靠PCB板通光孔的外沿以通光孔为中心成120°对称放置；144为固紧螺丝，共三枚，亦以PCB板通光孔为中心成120°对称放置，用于将PCB板固定于LED照明基座141上。因此，LED光源所发射的光线不会直接进入物镜，而是向上透过实验槽的玻璃悬窗照射在肌纤维中央的一对反光标记物(或在二维应用实例中，中心标记物)上，而标记物所反射的光将进入物镜并形成光点像，以提供给光电位置传感器。

图5(a)和图5(b)是光电位置传感模块的细节结构示意图。其中，图5(a)是从显微镜上方俯视的结构示意图。其中，12为显微镜的三目镜筒(透镜已拆除)；121为镜筒基座，其上带有固紧螺杆123，用于将镜筒基座固定在三目镜筒12上；124为光电位置传感器基座筒，其筒身伸入三目镜筒12内，用于遮光；122为升降螺杆，128与126为升降导轨，这三个部件用于调整光电位置传感器基座筒的高度，以保证光点在光电位置传感器上的清晰度；125为安装光电位置传感器的PCB板，用于给光电位置传感器供电；127为固紧螺丝，共三枚，将PCB板固定在光电位置传感器基座筒上。图5(b)是从三目镜筒内向光电位置传感器端的仰视图，129为一维光电位置传感器，共两枚，二者串联放置，每个光电位置传感器用于检测一个标记物的位置，以此得到肌小节的长度；在本发明的平台的二维应用中，需换成一个二维光电位置传感器(图中未示出)。

在如图2所示的单自由度应用实例中，首先，将力传感器端的不锈钢钩子从力传感器一侧伸入矩形容纳槽，并将其平直端与力传感器的悬臂梁相粘接。打开显微镜，在载玻片或培养皿中使用微操作镊将铝箔卡子安装到肌纤维束(2～10根，直径100～150μm)的两端，并用虫胶包裹；若需要监测肌小节的长度，则在肌纤维的中心区域使用虫胶粘贴两条宽约80μm，长度与肌纤维直径相仿(约100μm)的铝箔反光标记，两条反光标记间距约0.5～1mm。将肌纤维一端的铝箔卡子与已装好的力传感器端不锈钢钩子相连接，注意标记物需朝下；接着将实验槽固定在显微镜载物台上，打开电机伺服平台模块的伺服系统，将音圈电机的动子固定在电机行程中点，将电机端不锈钢钩子的平直端安装到与音圈电机动子相连的滑块上，并保证其与音圈电机轴向的平行度；然后使用电机伺服平台底部的三轴手动位置微调滑台，将电机端不锈钢钩子与实验槽中央矩形容纳槽上的小孔对准并伸入矩形容纳槽中，直到力传感器端钩子与电机端不锈钢钩子之间的间距小于肌纤维的长度；再将肌纤维自由端的铝箔卡子与电机端不锈钢钩子相连，并将矩形容纳槽两端的小孔从外侧使用凡士林密封。打开中央处理模块、蠕动泵、温度监控系统，使矩形容纳槽内任氏液开始循环，并调整到所需温度。这时由显微镜观察肌小节上标记物的位置，调整载物台以使两个反光标记物的连线处于视场中心线上；同时，观察肌小节长度，使用电机伺服平台的y轴手动位置微调滑台，增大力传感器端钩子与电机端不锈钢钩子之间的间距，拉直肌纤维，反复使用载物台与y轴手动位置微调滑台，尽量将肌小节调整到最佳长度(约2.5μm)，并且令两个反光标记物之间的中点位置处于视场中心。此时关闭显微镜的卤素灯光源，打开LED照明模块、光电位置传感模块与数据处理模块，并缓慢旋转光电位置传感模块的镜筒基座，并转动升降螺杆调节光电位置传感器基座筒的高度，直到两个光电位置传感器都有读数并且读数最大。对于普通的肌纤维生物力学实验研究，可使系统工作在肌纤维等长(电机动子位置恒定)、肌小节等长(标记物光点间距恒定)或等负载(肌纤维张力恒定)模式下，并使铂盘电极按要求发送电脉冲序列(幅值30～60V)，同时记录微力传感器与光栅位移传感器/一维光电位置传感器的读数，即可考察肌纤维/肌小节的长度、收缩力、收缩速度、功率以及刺激频率之间的关系。进一步地，若要研究肌纤维收缩的控制学原理，可通过刺激变频发放模块实时动态调整刺激脉冲的频率，例如，使频率阶跃、线性增长或正弦变化等，考察肌纤维/肌小节在等长或等负载模式下其收缩力、收缩速度及功率的变化，从而进一步验证骨骼肌4M模型的理论结果。

为了更深入、更直观地研究肌纤维的控制学原理，需开展肌纤维的二维复杂运动控制实验。本发明的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台的二维应用实例如图6所示。其中，15为显微镜的载物台，4、5、6分别为实验槽模块1、实验槽模块2与实验槽模块3，实验槽模块的设置与单自由度应用实例相同，只是此时不需要再监控肌小节的长度，即无需在肌纤维上安装铝箔反光标记；三个实验槽互成120°安装在载物台上，力传感器端不锈钢钩子的设置也与之前所述相同，但三个实验槽上原本与电机伺服平台模块相连的不锈钢钩子连接到一起，其连接中心点的结构放大显示在图中左上角的圆圈内；41、51、61分别是实验槽模块1、实验槽模块2与实验槽模块3的连接点端的不锈钢钩子，三个钩子都弯成环状，以钩子41作为中心轴相互扣结在一起，因而其连接具有旋转自由度；42为直径约100～150μm的圆形铝箔反光中心标记物，用虫胶粘贴在钩子41底部，朝向物镜。在此实施例中，基本步骤与单自由度实施例中相同，但是需要选用较长的肌纤维，以提高肌纤维的收缩量。此外，原本电机端的不锈钢钩子安装顺序如下：首先，将肌纤维与其两端的不锈钢钩子安装到图中的实验槽4上，并将实验槽4固定在载物台上；之后，将不锈钢钩子61套入不锈钢钩子41，将不锈钢钩子61的另一端与实验槽6中的肌纤维相连；然后将不锈钢钩子51也套入不锈钢钩子41，并将不锈钢钩子51的另一端与实验槽5中的肌纤维连接；最后将中心标记物42与不锈钢钩子41粘接。在此实施例中，光电位置传感模块中原来的一对一维光电位置传感器需换成二维光电位置传感器，以感应中心标记物所反射的光点的平面位置变化。实施过程中，中央处理模块中的刺激变频发放模块分别向三条肌纤维发送频率动态变化的刺激脉冲序列，使三者产生不同的收缩力，中心标记物将在其合力的作用下进行平面运动，此时光电位置传感器给出标记物的x-y坐标读数，肌纤维的长度正是由中心标记物的位置来反馈。在研究中，可制定中心标记物的预定运动轨迹，例如圆、矩形、三角形等，并发送动态变频刺激，令肌纤维产生合理收缩，使中心标记物完成预定轨迹，以此来研究与验证肌纤维运作的控制学原理。

综上所述，本发明的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台采用了高度模块化的构架，结构紧凑，利于清洗，并且能够达到高稳定性和耐用性的要求。除了能够满足常规的肌纤维生物力学实验要求，平台还提供了刺激频率实时动态变功能，以及收缩力、位移及速度的实时反馈与记录功能，弥补了现有肌纤维实验平台无法进行肌纤维收缩控制学研究的缺陷；更重要的，本发明首次提供了肌纤维二维力学/控制学实验平台，突破了现有平台的单自由度限制，因此为细胞力学、肌肉病理学及生物控制学等领域的研究提供了方便。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，包括中央处理模块、三个结构相同的实验槽模块、电机伺服平台模块、显微观测模块、数据处理模块与环境调控模块，其中，所述中央处理模块与所述三个实验槽模块、电机伺服平台模块、显微观测模块和数据处理模块相连；所述数据处理模块与所述显微观测模块相连；所述环境调控模块与所述三个实验槽模块分别相连；所述显微观测模块与所述三个实验槽模块分别相连。

2.如权利要求1所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，所述中央处理模块与所述三个实验槽模块、电机伺服平台模块的信息传递是双向的，并单向接收所述显微观测模块的信息，单向输出信息给所述数据处理模块；所述三个实验槽模块单向输出信息给所述显微观测模块，所述显微观测模块单向输出信息给所述数据处理模块，所述环境调控模块与所述三个实验槽模块之间存在双向信息传递。

3.如权利要求1所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，所述中央处理模块包括基于骨骼肌4M模型的控制模块与溶液温度控制模块；其中所述基于骨骼肌4M模型的控制模块包括力位并环控制模块与刺激变频发放模块。

4.如权利要求1所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，所述实验槽模块包括微力传感器、脉冲刺激电极、温度传感器、任氏液循环接口以及肌纤维连接装置；其中所述肌纤维连接装置包括T型铝箔卡子与不锈钢钩子；所述脉冲刺激电极是铂盘电极，平行置于肌纤维两侧以引发其收缩；所述温度传感器是珀尔贴效应传感器，置于任氏液中以实时监控生理环境温度；搜书任氏液循环接口位于实验槽的槽壁上，用于连接蠕动泵的软管以使槽内溶液不断更新。

5.如权利要求1所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，所述电机伺服平台模块包括音圈电机驱动模块、光栅位移传感模块与手动位置微调模块；其中，所述音圈电机驱动模块包括滑块导轨机构和音圈电机驱动，所述滑块导轨机构中的滑块与实验槽中的肌纤维连接装置相连；所述光栅位移传感模块包括光栅尺、读头以及编码器，用于实时反馈音圈电机驱动模块的位移、肌纤维的长度与收缩速度；所述手动位置微调模块最底端是具有z方向粗调功能的升降台，升降台上固定有带千分尺的y方向微调滑台，所述y方向微调滑台上再固定有带千分尺的x方向微调滑台。

6.如权利要求1所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，所述显微观测模块包括倒置生物显微镜、高速摄影模块、LED照明模块与光电位置传感模块；其中，所述倒置生物显微镜带有三目镜筒；所述高速摄影模块用于获取肌纤维收缩的动态影像以及在二维实验中的中心标记物的运动过程；所述LED照明模块安装于所述倒置生物显微镜下方的物镜顶端；所述光电位置传感模块安装在所述倒置显微镜的三目镜筒上。

7.如权利要求6所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，在单自由度实验中，所述光电位置传感模块采用一维光电位置传感器，以反馈肌纤维上两个反光标记物之间的距离；在二维肌纤维运动控制实验中，所述光电位置传感模块采用二维光电位置传感器，以反馈中心反光标记物的位置/速度。

8.如权利要求1所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，所述数据处理模块包括数据存储模块、图像处理模块与数据显示模块。

9.如权利要求1所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，所述环境调控模块包括任氏液循环模块与任氏液加热模块；其中所述任氏液循环模块由溶液库与蠕动泵组成，所述任氏液加热模块集成在溶液库中。

10.如权利要求1所述的肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其特征在于，其中电机伺服平台模块、所述实验槽模块中的肌小节长度标记物只在单自由度实验中使用。

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