CN108172095A - 一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，该装置包括对极排列的永久磁体和悬浮于所述永久磁体上方的圆柱形的容器。所述容器内盛放液氮和高温超导体，其顶部设有盖子，侧壁设有添加液氮的小窗口；所述盖子上设有圆柱形透明小动物观察室，该小动物观察室顶部开有小门。本发明还公开了该装置的使用方法。本发明结构简单、容易操作，特别适合青少年的太空兴趣研究。

Description

一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及高温超导材料和永久磁性材料在太空生命科学研究中的应用技术领域，尤其涉及一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置。

背景技术

近些年来，我国的空间科学发展十分迅速。神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功，预示着我国即将建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室，未来在太空开展的生命科学研究也会越来越多，包括植物、微生物的生长、发育，动物和人的行为及太空疾病的防治等。

微重力或失重是最主要的空间环境因素。科学家在国际空间站开展的植物培育实验表明，太空中的植物根系不是向下方延伸，而是向四周任意扩散，造成这种“根系杂乱无章分布”的主要因素是微重力。苏俄和美国的科学家收集的数据表明，70 %的航天员在进入太空以后，会产生空间定向失常、方位感缺失、恶心、胃肠不适、头晕、嗜睡等症状，引起这种“空间运动病”的主要因素也是微重力。受样本量、成本、时间、空间等条件的限制，大量在太空开展微重力环境对人体和其他生物的运动、生长和生理方面的影响尚不具备条件，在地面模拟微重力条件下进行相关研究就成了首选方案。

在微重力或失重环境中，物体受到很小的力的作用就能飘浮起来。因此地面上模拟微重力的原理都是利用人工装置提供一种环境使生物体处于悬浮状态，以产生类似于太空微重力环境中的生理效果。目前经常采用的模拟微重力的方法有以下几种：回转器主要采取二维或三维旋转生物样品，以抵消掉大部分重力效应来模拟微重力效应，但这种回转器主要适用于培养细胞或微生物的研究，很难用于动物研究；尾吊法可以使动物后肢产生类似于悬浮的生理效果以模拟太空微重力效应，但目前也仅局限于鼠类的观察和研究；也有研究人员利用落塔、抛物线飞机等模拟失重，虽然真实但时间太短不利于观察和研究。

利用高温超导体在超导状态时内部感应电流产生的磁场与永久磁体的外磁场之间的排斥力可以实现垂直方向上的磁悬浮。近些年来，我国在铁基高温超导材料方面获得了突破性进展，可以使超导状态发生在几十K的温度里，因此采用较为廉价的液氮冷却即可实现超导。高温超导永磁磁悬浮是一种能够自行调节相对稳定的悬浮方式，可以用来模拟太空微重力环境造成的悬浮状态。利用高温超导永磁磁悬浮原理研制发明的模拟微重力装置，对普及太空生命科学研究、促进人类太空探索活动向深空发展具有非常重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、容易操作的观察悬浮状态对小动物行为影响的装置。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该观察悬浮状态对小动物行为影响的装置的使用方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：该装置包括对极排列的永久磁体和悬浮于所述永久磁体上方的圆柱形的容器；所述容器内盛放液氮和高温超导体，其顶部设有盖子，侧壁设有添加液氮的小窗口；所述盖子上设有圆柱形透明小动物观察室，该小动物观察室顶部开有小门。

所述永久磁体是指两个磁化方向相对的永久磁块与纯铁条通过粘合剂粘结而成。

所述永久磁块由高磁能积钕铁硼制成。

所述高温超导体是指临界温度为92 K的镍基钇-钡-铜-氧系超导体。

所述容器由聚四氟乙烯制成。

所述小动物观察室由聚甲基丙烯酸甲酯制成。

所述容器与所述小动物观察室的重心重合。

所述容器的重力方向与所述永久磁体的磁力方向相反。

所述容器与所述永久磁体间的悬浮高度为15~20mm。

如上所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置的使用方法，包括以下步骤：

⑴将永久磁体放置在平整的桌面上，用一个简单支架将容器临时固定于所述永久磁体中心上方12~18 mm的地方；

⑵将高温超导体置于所述容器内，缓慢注入液氮直到淹没所述高温超导体；

⑶待所述高温超导体充分冷却后轻轻挪开所述支架，此时所述高温超导体和所述容器稳定地悬浮在所述永久磁体的上方；

⑷将小动物放入小动物观察室，然后用胶带将所述小动物观察室固定于所述容器上；

⑸记录小动物活动规律，并与没有置于悬浮状态且材质、大小完全一样的观察室的小动物进行比较即可。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中永久磁体采用对极排列方式，可以把两个永磁块的磁力线发散到更高位置并将磁力线高度聚集，从而有效提高中心区域的磁感应强度和磁场梯度，进而提升磁悬浮高度（如图3所示）。

2、本发明中高温超导体是指临界温度为92 K的镍基钇-钡-铜-氧系超导体，这类高温超导体可用液氮冷却实现超导，并且具有不可逆的磁化曲线，在外磁场作用之后具有一定的剩余磁场，如同变成永久磁体，因此，与永久磁体一起产生的磁悬浮能维持较长时间，且能够自行调节、相对稳定。与落塔、抛物线飞机等模拟微重力或失重的方法相比，用高温超导永磁磁悬浮技术模拟微重力效应，不仅可以延长模拟时间，而且容易实现。

3、本发明利用磁力克服小动物观察室的重力，以模拟太空微重力环境造成的悬浮状态，并观察悬浮状态对小动物（蚂蚁、蠕虫、小鼠等）行为的影响。该发明能够弥补回转器只能为培养细胞或微生物提供模拟微重力环境、尾吊法只能为鼠类后肢部位提供模拟微重力环境的不足之处。

4、本发明与低温超导体需要资源极度贫乏的液氦进行冷却不同，高温超导体可以采用较为廉价的液氮进行冷却。

5、本发明结构简单、容易操作，特别适合青少年的太空兴趣研究。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中永久磁体的结构示意图。

图3为本发明中永久磁体的磁力线示意图。

图中：1—永久磁体；11—永久磁块；12—纯铁条；2—高温超导体；3—容器；4—小动物观察室。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的原理和技术特征作进一步详细的说明，所举实例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明的保护范围。

磁悬浮是一种利用磁力克服重力实现悬浮的方法，一个稳定的磁悬浮系统至少包括两个子系统。一个子系统用于产生磁场，且磁场必须是非均匀的，即一定要有磁场梯度存在。永久磁体上方的磁场是不均匀的，并且具有很大的梯度。另一个子系统用来改变或俘获磁场，以实现稳定的磁悬浮。钇-钡-铜-氧系高温超导材料具有俘获一定的磁场的性能。因此对极排列的永久磁体和高温超导材料可以满足稳定磁悬浮的两个基本条件。

如图1所示，一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，该装置包括对极排列的永久磁体1和悬浮于永久磁体1上方的圆柱形的容器3。容器3内盛放液氮和高温超导体2，其顶部设有盖子，侧壁设有添加液氮的小窗口；盖子上设有圆柱形透明小动物观察室4，该小动物观察室4顶部开有小门。

其中：永久磁体1是指两个磁化方向相对的永久磁块11与纯铁条12通过粘合剂粘结而成（参见图2）。永久磁块11由高磁能积钕铁硼制成。

高温超导体2是指临界温度为92 K的镍基钇-钡-铜-氧系超导体。

容器3由聚四氟乙烯制成。也可以用其它保温性能良好的轻质材料制成。

小动物观察室4由聚甲基丙烯酸甲酯制成。也可以用其它不导磁的透明轻质材料制成。

容器3与小动物观察室4的重心重合，实现稳定悬浮。

容器3的重力方向与永久磁体1的磁力方向相反。

容器3与永久磁体1间的悬浮高度为15~20mm。

本发明工作原理：将高温超导体2用液氮冷却使其进入超导状态，由愣茨定律可知，在永久磁体1的外磁场作用下，超导体内部将产生感应电流。由于超导体内部感应电流产生的磁场与外磁场相反，超导体与永久磁体1间的相互作用可以等效为两个极性相同的永磁体之间的排斥作用，在垂直方向上产生悬浮且不需要其它任何控制系统。

该观察悬浮状态对小动物行为影响的装置的使用方法，包括以下步骤：

⑴将永久磁体1放置在平整的桌面上，用一个简单支架将容器3临时固定于永久磁体1中心上方12~18 mm的地方；

⑵将高温超导体2置于容器3内，缓慢注入液氮直到淹没高温超导体2；

⑶待高温超导体2充分冷却后轻轻挪开所述支架，此时高温超导体2和容器3稳定地悬浮在永久磁体1的上方；

⑷将小动物放入小动物观察室4，然后用胶带将小动物观察室4固定于容器3上；

⑸记录小动物活动规律，并与没有置于悬浮状态且材质、大小完全一样的观察室的小动物进行比较即可。

实施例

⑴对极排列的永久磁体1的制备：将两个磁化方向相对的高磁能积钕铁硼永久磁块11通过粘合剂和纯铁条12粘结起来，制成长为120 mm、宽为90 mm、高为70 mm的永久磁体；粘合剂是指强力金属万能胶，如蓝田牌A-05L型丙烯酸AB胶；

⑵高温超导体2的选择：用镍基钇-钡-铜-氧系材料制成直径60 mm，厚度15 mm的超导体，临界温度为92 K，用液氮作为冷却剂实现超导；

⑶容器3的制备：用厚度5 mm的聚四氟乙烯泡沫材料制成直径80 mm，高度50 mm的圆柱形容器，顶部配有同材质的盖子，侧壁设有添加液氮的小窗口；

⑷小动物观察室4的制备：用厚度2 mm的聚甲基丙烯酸甲酯材料制成直径80 mm，高度60 mm圆柱形小动物观察室，顶部设有可以灵活开关的小门；

⑸将制作好的永久磁体1放置在平整的桌面上，用一个简单支架将容器3固定于永久磁体1中心上方12~18 mm的地方；

⑹将高温超导体2置于容器3内，缓慢注入液氮直到淹没高温超导体2；

⑺待高温超导体2充分冷却后轻轻挪开支架，高温超导体2和容器3就可以稳定地悬浮在永久磁体1的上方了。悬浮高度为15~20 mm；

⑻将幼蚕放入小动物观察室4，然后轻轻用胶带将小动物观察室4固定于容器3上；

⑼记录幼蚕活动规律，并与没有置于悬浮状态且材质、大小完全一样的观察室的幼蚕进行比较。观察期间可以不断补充液氮，使高温超导体2维持在超导状态，并不断用手指轻轻触碰小动物观察室4，增加小动物的漂浮感受，直到观察实验结束为止。

Claims (10)

1.一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：该装置包括对极排列的永久磁体（1）和悬浮于所述永久磁体（1）上方的圆柱形的容器（3）；所述容器（3）内盛放液氮和高温超导体（2），其顶部设有盖子，侧壁设有添加液氮的小窗口；所述盖子上设有圆柱形透明小动物观察室（4），该小动物观察室（4）顶部开有小门。

2.如权利要求1所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：所述永久磁体（1）是指两个磁化方向相对的永久磁块（11）与纯铁条（12）通过粘合剂粘结而成。

3.如权利要求2所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：所述永久磁块（11）由高磁能积钕铁硼制成。

4.如权利要求1所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：所述高温超导体（2）是指临界温度为92 K的镍基钇-钡-铜-氧系超导体。

5.如权利要求1所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：所述容器（3）由聚四氟乙烯制成。

6.如权利要求1所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：所述小动物观察室（4）由聚甲基丙烯酸甲酯制成。

7.如权利要求1所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：所述容器（3）与所述小动物观察室（4）的重心重合。

8.如权利要求1所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：所述容器（3）的重力方向与所述永久磁体（1）的磁力方向相反。

9.如权利要求1所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置，其特征在于：所述容器（3）与所述永久磁体（1）间的悬浮高度为15~20mm。

10.如权利要求1所述的一种观察悬浮状态对小动物行为影响的装置的使用方法，包括以下步骤：

⑴将永久磁体（1）放置在平整的桌面上，用一个简单支架将容器（3）临时固定于所述永久磁体（1）中心上方12~18 mm的地方；

⑵将高温超导体（2）置于所述容器（3）内，缓慢注入液氮直到淹没所述高温超导体（2）；

⑶待所述高温超导体（2）充分冷却后轻轻挪开所述支架，此时所述高温超导体（2）和所述容器（3）稳定地悬浮在所述永久磁体（1）的上方；

⑷将小动物放入小动物观察室（4），然后用胶带将所述小动物观察室（4）固定于所述容器（3）上；

⑸记录小动物活动规律，并与没有置于悬浮状态且材质、大小完全一样的观察室的小动物进行比较即可。