CN115923121A - 一种3d打印自感知假人颈椎骨 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种3D打印自感知假人颈椎骨。该假人颈椎骨中，自感知颈椎骨外壳和自感知椎间盘均采用应变自感知材料所制成，颈椎内支撑支撑自感知颈椎骨外壳，自感知颈椎骨外壳与外部电极相连接形成一个可变电阻，自感知椎间盘与外部电极相连接形成一个可变电阻。本方案中，当有外力冲击假人颈椎时，由于颈椎骨外壳为应变自感知材料，在应力冲击的作用下，内部导电成分之间的距离发生改变，从而使得电阻发生改变，能够将外界的冲击力信号转化为电阻信号的变化。当不同的颈椎骨之间在外力的作用下产生挤压作用，颈椎骨与颈椎骨之间的椎间盘由于具有应力感知材料制备而成，能够将颈椎骨之间的作用力转化为电阻信号，从而实现了对碰撞受力的准确还原。
Description
技术领域
本申请涉及假人的技术领域，尤其涉及一种3D打印自感知假人颈椎骨。
背景技术
随着社会进步和人民生活水平的日益提高，人们的生活水准产生了不断变化，新能源无人驾驶汽车、太空旅行等将会成为未来消费主流，而这些载具在研发过程中必不可少的需要进行相关的假人测试试验，以满足载具在各种各样紧急环境下的安全性要求。
试验假人是根据人体工程学原理，用特殊材料制成的试验仪器，是航空航天测试、汽车碰撞试验、深海潜水试验等一系列新型装备测试的“先行者”。目前世界上最先进的假人都是采用元器件集成装配的方式进行制造的，而这种集成装配的方式难以提高其生物仿真度。例如WorldSID 50th碰撞假人由将近1000个部件，大约100个不同的信号传感器组成，包括加速度计、测力计、位移计(测量肋骨位移)、角度计等等，这些传感器几乎都是采用装配集成的方式堆叠在某些重点部位，一般造价高达4-10万美元，加上传感器配套设备则可达到10-15万美元，其生物仿真度在50％以下。这种装配集成方式能够近似的得出碰撞的关键数据，却无法更加精细发现碰撞过程中的组织器官微小的、牵连的、局部的伤害情况，例如小血管在高速碰撞过程中的破裂情况，并且其造价成本高昂。因此，高仿真度、高度功能化、低成本仿真假人的研究具有较大的应用价值和经济价值。
相关技术中，对于碰撞过程中的受力情况的模拟或还原不够真实。
发明内容
有鉴于此，本申请提供3D打印电容式仿生倾角传感器及其应用，能够较为准确地模拟人体碰撞受力情况。
本申请提供3D打印自感知假人颈椎骨，包括自感知颈椎骨外壳、颈椎骨内支撑、自感知椎间盘，所述自感知颈椎骨外壳和自感知椎间盘均采用应变自感知材料所制成，所述颈椎内支撑用以支撑自感知颈椎骨外壳，自感知椎间盘固设在颈椎骨内支撑的下部，自感知颈椎骨外壳用以与外部电极相连接形成一个可变电阻；自感知椎间盘用以与外部电极相连接形成一个可变电阻。
可选地，自感知颈椎骨外壳与自感知椎间盘不相接触。
可选地，自感知颈椎骨外壳、颈椎骨内支撑、自感知椎间盘采用多材料3D打印机一体化打印。
可选地，所述自感知颈椎骨外壳的应变自感知材料为炭黑纳米粒子-聚乳酸复合材料，或炭黑纳米粒子-ABS复合材料。
可选地，所述自感知颈椎骨外壳的外表层打印有用以增强传感性能的增强层，所述增强层为沟槽结构、波纹形结构，棱柱岛结构或金字塔岛状结构。
可选地，所述颈椎骨内支撑采用聚乳酸或ABS材料打印而成。
可选地，所述自感知椎间盘的应变自感知材料为由橡胶材料、导电材料及柔性材料复合而成。
可选地，所述橡胶材料为PDMS、硅胶或乳胶。
可选地，所述柔性材料为聚乳酸、TPU、硅胶或乳胶。
可选地，所述导电材料为石墨烯、碳纳米管、炭黑或金银铜纳米粒子。
可选地，所述不导电高分子材料为聚乳酸、聚氨酯、聚己内酯或尼龙。
以上提供的3D打印自感知假人颈椎骨，当有外力冲击假人颈椎时，由于颈椎骨外壳采用的材料采用应变自感知材料所制成，在应力冲击的作用下，内部导电成分之间的距离发生改变，从而使得电阻发生改变，能够将外界的冲击力信号转化为电阻信号的变化，从而实现颈椎的应力自感知。同样的当不同的颈椎骨之间在外力的作用下产生挤压作用，颈椎骨与颈椎骨之间的椎间盘由于具有应力感知材料制备而成，因此也具有应力自感知的功能，能够将颈椎骨之间的作用力转化为电阻信号，从而实现了对碰撞受力的准确还原。
不仅如此，总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
(1)本申请通过3D多材料打印手段一体化成形自感知假人颈椎，加工手段简单，不复杂，无需进行多道加工工序。
(2)本申请在材料水平上将应力传感功能与假人颈椎支撑功能相结合，实现颈椎骨的自感知功能，无需额外的贴片应力传感器或加装其他力学传感器，使得假人系统更加简洁、高效、智能融合。
(3)本申请所采用的材料成本低，效果好。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例提供3D打印自感知假人颈椎骨的结构示意图。
图2为本申请实施例提供不同节颈椎骨的示意图。
图3为本申请实施例提供多节颈椎骨拼接成完整颈椎的结构示意图。
其中，图中元件标识如下：
1——自感知颈椎骨外壳；
2——颈椎骨内支撑；
3——自感知椎间盘。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本申请涉及一种3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，如图1所示，包括自感知颈椎骨外壳1、颈椎骨内支撑2、自感知椎间盘3等。自感知颈椎骨外壳1位于颈椎内支撑2外部，自感知椎间盘3位于颈椎骨内支撑2下部；自感知颈椎骨外壳1与自感知椎间盘3不相接触；自感知颈椎骨外壳1与电极相连接形成一个可变电阻；自感知椎间盘3也可与电极相连接形成一个可变电阻；自感知颈椎骨外壳1、颈椎骨内支撑2、自感知椎间盘3采用多材料3D打印机一体化打印。
当有外力冲击假人颈椎时，由于颈椎骨外壳1采用的材料采用应变自感知材料所制成，在应力冲击的作用下，内部导电粒子之间的距离发生改变，从而使得电阻发生改变，能够将外界的冲击力信号转化为电阻信号的变化，从而实现颈椎的应力自感知。同样的当不同的颈椎骨之间在外力的作用下产生挤压作用，颈椎骨与颈椎骨之间的自感应椎间盘3，由于具有应力感知材料制备而成，因此也具有应力自感知的功能，能够将颈椎骨之间的作用力转化为电阻信号，从而实现了对碰撞受力的准确还原。
在上述的一种3D打印自感知假人颈椎骨，其中自感知颈椎骨外壳1采用炭黑纳米粒子-A聚乳酸复合材料、炭黑纳米粒子-ABS复合材料或者其他具有
应变自感知的强度较高的复合材料打印而成。在所述的自感知颈椎骨外壳1外5表层可以打印不同的结构以增强其传感性能，这些结构包括沟槽结构、波纹形
结构，棱柱岛结构、金字塔岛状结构等。
在上述的一种3D打印自感知假人颈椎骨，其中颈椎骨内支撑2采用聚乳酸或ABS材料打印而成，也可以由其他轻度较高的高分子材料打印而成。
在上述的一种3D打印自感知假人颈椎骨，其中自感知椎间盘3采用0PDMS，硅胶，乳胶，以及各种橡胶材料复合石墨烯、碳纳米管、炭黑、金银铜纳米粒子与聚乳酸、TPU、硅胶、乳胶等柔性较好的材料打印而成。
本申请所述的一种3D打印自感知假人颈椎骨，所述的自感知假人颈椎骨可以为单一的某一节颈椎骨，也可以是由多节所拼接的完整颈椎结构，如图2所示。
5本申请所述的一种3D打印自感知假人颈椎骨，同样可以采用3D打印一体化成形的方法制备出完整仿生颈椎，如图3所示，其包括第一节颈椎(寰椎)、第二节颈椎(枢椎)、第三节颈椎、第四节颈椎、第五节颈椎、第六节颈椎、第七节颈椎以及颈椎骨之间的椎间盘结构。其中，每节颈椎骨都包含自感知颈椎
骨外壳1、颈椎骨内支撑2、自感知椎间盘3等结构，每节颈椎骨都具有应力自0感知功能。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，包括自感知颈椎骨外壳、颈椎骨内支撑和自感知椎间盘，所述自感知颈椎骨外壳和自感知椎间盘均采用应变自感知材料所制成，所述颈椎内支撑用以支撑自感知颈椎骨外壳，自感知椎间盘固设在颈椎骨内支撑的下部，自感知颈椎骨外壳用以与外部电极相连接形成一个可变电阻；自感知椎间盘用以与外部电极相连接形成一个可变电阻。
2.根据权利要求1所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，自感知颈椎骨外壳与自感知椎间盘不相接触。
3.根据权利要求1所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，自感知颈椎骨外壳、颈椎骨内支撑、自感知椎间盘采用多材料3D打印机一体化打印。
4.根据权利要求1所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，所述自感知颈椎骨外壳的应变自感知材料为炭黑纳米粒子-聚乳酸复合材料，或炭黑纳米粒子-ABS复合材料。
5.根据权利要求1所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，所述自感知颈椎骨外壳的外表层打印有用以增强传感性能的增强层，所述增强层为沟槽结构、波纹形结构，棱柱岛结构或金字塔岛状结构。
6.根据权利要求1所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，所述颈椎骨内支撑采用聚乳酸或ABS材料打印而成。
7.根据权利要求1所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，所述自感知椎间盘的应变自感知材料为由橡胶材料、导电材料及柔性材料复合而成。
8.根据权利要求7所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，所述橡胶材料为PDMS、硅胶或乳胶。
9.根据权利要求7所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，所述柔性材料为聚乳酸、TPU、硅胶或乳胶。
10.根据权利要求7所述3D打印自感知假人颈椎骨，其特征在于，所述导电材料为石墨烯、碳纳米管、炭黑或金银铜纳米粒子。
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