RU2559417C1

RU2559417C1 - Bionic extremity and method for manufacturing it

Info

Publication number: RU2559417C1
Application number: RU2014119275/14A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Андреевич Журавлёв
Original assignee: Дмитрий Андреевич Журавлёв
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-08-10

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: extremity comprises an artificial skeleton representing a bone-shaped pivotally connected items with attached working organs. The latter are presented by artificial muscles and nerves. The muscles comprise shape-memory intermetallic fibres and nylon and/or polyethylene filaments. The nerves comprise an electrically conductive polymer with through porosity; their one end is set into the artificial muscles. What is also presented is a method for manufacturing a bionic extremity. The artificial nerves are produced by mixing a foam enhancer and at least one organic electrically conductive polymer. The produced mixture is heated to a decomposition temperature of the foam enhancer, kept until the process of through pore formation is completed, cooled down and flown through a draw hole. The produced fibre is impregnated with Na+ and K+ ion solution and wrapped with at least one layer of a polymeric dielectric. A cation-exchange membrane is applied on one end. The artificial muscles are produced by lacing a medium consisting of at least one polyorganosiloxane with one or more fibres of at least one shape-memory intermetallic compound, as well as nylon and/or polyethylene filaments. The artificial nerves are then set into the artificial muscles so that motor and/or mixed nerve segments cleared from the polymeric dielectric contact the intermetallic fibres and nylon and/or polyethylene filaments. The sensory and/or mixed nerve ends free from the applied membrane are connected to a piezoelectric array.

EFFECT: accurate and smooth motions, ability to touch and feel temperature, extremity survival and simplified installation process.

10 cl, 8 ex, 3 tbl, 3 dwg

Description

Группа изобретений относится к области бионики, и может найти применение в протезировании, машиностроении и робототехнике, в частности при создании манипуляторов.The group of inventions relates to the field of bionics, and can find application in prosthetics, mechanical engineering and robotics, in particular when creating manipulators.

Известен многофункциональный активный протез руки, содержащий наплечник, исполнительный орган, выполненный в виде трехзвенной шарнирно-рычажной цепи с тремя датчиками углов, датчики независимого управления и системы независимого управления исполнительным механизмом ротации искусственной кисти и исполнительным механизмом искусственной кисти, три системы управления связным движением исполнительных механизмов сгибания-разгибания плеча, предплечья и искусственной кисти, каждая из которых содержит сумматор, два функциональных преобразователя, усилитель мощности и привод, а также задающий орган, выполненный в виде плоского трехзвенного кинематического аналога исполнительной цепи, содержащий три датчика управления связным движением. Протез снабжен жестким креплением исполнительного органа и закрепленным на нем блоком коррекции положения звена плеча, содержащим последовательно соединенные акселерометр, блок двойного интегрирования и определитель угла коррекции, при этом определитель угла коррекции соединен с сумматором системы управления связным движением сгибания плеча, а жесткое крепление исполнительного органа зафиксировано на корпусе инвалида и выполнено с возможностью свободного перемещения надплечья с наплечником (RU 2427349 C1, A61F 2/56, 27.08.2011).Known multifunctional active hand prosthesis containing a shoulder pad, an actuator made in the form of a three-link articulated link chain with three angle sensors, independent control sensors and an independent control system for the rotary actuator of the artificial brush and the actuator of the artificial brush, three control systems for the connected movement of actuators flexion-extension of the shoulder, forearm and artificial hand, each of which contains an adder, two functional transformations The indicator, the power amplifier and the drive, as well as the master, made in the form of a flat three-link kinematic analogue of the executive circuit, containing three sensors for controlling the connected movement. The prosthesis is equipped with a rigid fastening of the executive body and a block for correcting the position of the shoulder link, containing an accelerometer, a double integration unit and a correction angle determiner connected in series, while the correction angle determiner is connected to the adder of the control system for the shoulder flexion motion, and the rigid fastening of the executive body is fixed on the body of a disabled person and is made with the possibility of free movement of the shoulder girdle with a shoulder pad (RU 2427349 C1, A61F 2/56, 08/27/2011).

Недостатком данного протеза является то, что его работа осуществляется посредством движения здоровой части руки. В случае если рука ампутирована полностью, его функционирование невозможно.The disadvantage of this prosthesis is that its work is carried out by moving the healthy part of the hand. If the arm is completely amputated, its functioning is impossible.

Известен протез или манипулятор, содержащий устройство, управляемое приводами и задающее движение, и управляемые через упомянутое устройство ближний и дальний элементы. Ближний элемент установлен непосредственно на управляемом устройстве и выполнен с возможностью поворота относительно его. Дальний установлен на ближнем и выполнен с возможностью поворота относительно его и осуществления захвата. Оба элемента выполнены с возможностью вращения в противоположном направлении относительно друг друга, а также вокруг оси шарнирного сочленения, расположенного между ними (СА 2829537 A1, A61F 2/54, 11.04.2014).A prosthesis or manipulator is known, comprising a device controlled by drives and driving, and the near and far elements controlled through the said device. The proximal element is mounted directly on the controlled device and is rotatable relative to it. Far mounted on the near and made with the possibility of rotation relative to him and capture. Both elements are made to rotate in the opposite direction relative to each other, as well as around the axis of the articulated joint located between them (CA 2829537 A1, A61F 2/54, 04/11/2014).

Недостатком описанного протеза является то, что он имеет сложную электронную конструкцию и его движения задаются мышцами. Таким образом, в отношении сигнала мозга, сначала поступающего в мышцы, затем - в датчики движения, затем - в электронное управляющее движением устройство, затем - к двигательным элементам, имеет место запаздывания. Кроме того, описанный протез не обеспечивает точность движений и не регулирует скорость захвата, поскольку подобные характеристики можно достигнуть лишь в том случае, если управление будет осуществляться непосредственно нервными импульсами. Наиболее близким аналогом является протез ноги, в коленной чашечке которого находятся микропроцессор и четыре датчика, которые посылают в процессор сведения о движении тела, распределении веса и угле наклона, что дает микрочипу возможность предвидеть следующее движение владельца и среагировать на него, отправив те или иные сигналы в двигательные элементы (исполнительные органы). Протез также предполагает наличие имплантированных электродов (элементов, передающих сигнал), которые могут быть подсоединены либо к периферийным нервам пациента, либо непосредственно к спинномозговым нервам (журнал Science Translational Medicine, том 5, выпуск 210, страница 209-210, 06.11.2013). Недостатком прототипа является необходимость использования множества сенсоров, в том числе гироскопов и измерителей ускорения, электромоторчиков с редкоземельными магнитами и компьютерных чипов, что усложняет способ изготовления протеза и его установку. Также недостатком протеза-аналога является его труднодоступность: в Англии его цена на момент начала 2014 года составляла около 40.000 фунтов стерлингов.The disadvantage of the described prosthesis is that it has a complex electronic design and its movements are determined by the muscles. Thus, with respect to the brain signal, which first enters the muscles, then to the motion sensors, then to the electronic motion control device, then to the motor elements, there is a delay. In addition, the described prosthesis does not ensure the accuracy of movements and does not regulate the capture speed, since such characteristics can be achieved only if the control will be carried out directly by nerve impulses. The closest analogue is the prosthetic leg, in the kneecap of which there is a microprocessor and four sensors that send information about body movement, weight distribution and angle of inclination to the processor, which allows the microchip to anticipate the next movement of the owner and respond to it by sending certain signals in motor elements (executive bodies). The prosthesis also implies the presence of implanted electrodes (elements that transmit a signal) that can be connected either to the patient’s peripheral nerves or directly to the spinal nerves (Science Translational Medicine, Volume 5, Issue 210, Pages 209-210, November 6, 2013). The disadvantage of the prototype is the need to use many sensors, including gyroscopes and acceleration meters, electric motors with rare earth magnets and computer chips, which complicates the method of manufacturing the prosthesis and its installation. Another disadvantage of the analog prosthesis is its inaccessibility: in England its price at the beginning of 2014 was about 40,000 pounds.

Задачей предложенной группы изобретений является разработка недорогой и износостойкой бионической конечности, способной к управлению слабыми электрическими импульсами, преимущественно, нервными. Техническим результатом предложенной группы изобретений является обеспечение возможности управления бионической конечности электрическими импульсами, идущими непосредственно от нерва, увеличение точности и пластичности движений, возможности осязать и чувствовать температуру, а также снижение времени отклика исполнительных органов. Техническим результатом также является обеспечение приживаемости конечности и упрощение ее установки.The objective of the proposed group of inventions is the development of an inexpensive and wear-resistant bionic limb, capable of controlling weak electrical impulses, mainly nerve. The technical result of the proposed group of inventions is the ability to control the bionic limb with electrical impulses coming directly from the nerve, increasing the accuracy and plasticity of movements, the ability to feel and feel the temperature, as well as reducing the response time of the executive organs. The technical result is also the survival of the limb and the simplification of its installation.

Технический результат достигается за счет того, что предложена бионическая конечность, состоящая из элементов, передающих входящий сигнал исполнительным органам, и исполнительных органов, при этом она содержит искусственный скелет, представляющий собой изделия в форме костей, соединенные между собой шарнирно, а также соединенные прикрепленными к ним исполнительными органами, в качестве которых служат искусственные мышцы, представляющие собой среду из, по меньшей мере, одного полиорганосилоксана, прошитую одной или более нитями, по крайней мере, одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном, в качестве элементов, передающих входящий сигнал, служат искусственные нервы, по крайней мере, двух типов, выбранных из группы: чувствительные, двигательные и смешанные, причем искусственные нервы представляют собой среду из, по крайней мере, одного органического электропроводящего полимера, упомянутая среда обладает сквозной пористостью с порами, заполненными раствором ионов натрия и калия, и обвита, по крайней мере, одним слоем полимерного диэлектрика, двигательные и/или смешанные искусственные нервы одним концом либо в целостном состоянии, либо в разветвленном вшиты в искусственные мышцы таким образом, что оголенные от полимерного диэлектрика части искусственныхнервов имеют соприкосновение с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном, чувствительные и/или смешанные искусственные нервы одним концом присоединены к матрице из пьезоэлектриков, на другие концы всех искусственных нервов нанесена катионообменная мембрана, пропускающая ионы щелочных металлов.The technical result is achieved due to the fact that the proposed bionic limb, consisting of elements that transmit the incoming signal to the executive organs, and the executive organs, while it contains an artificial skeleton, which is a product in the form of bones, pivotally connected to each other, and also attached to executive organs, which are artificial muscles, which are a medium of at least one polyorganosiloxane, stitched with one or more threads, along the edge of at least one intermetallic compound with shape memory and nylon and / or polyethylene fiber, the elements that transmit the incoming signal are artificial nerves of at least two types selected from the group: sensory, motor, and mixed, and artificial nerves are medium of at least one organic electrically conductive polymer, said medium has a through porosity with pores filled with a solution of sodium and potassium ions, and is entwined with at least one layer of polymer die The ectrics, motor and / or mixed artificial nerves at one end either in a hollow state or in a branched one are sewn into the artificial muscles in such a way that the parts of the artificial nerves exposed from the polymer dielectric are in contact with the intermetallic filaments and nylon and / or polyethylene fiber, sensitive and / or mixed artificial nerves are attached at one end to a piezoelectric matrix, a cation exchange membrane passing alkaline ions is applied to the other ends of all artificial nerves llov.

Для предотвращения кратковременной потери контакта во время движения оголенные от полимерного диэлектрика части искусственных нервов сплетены с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном. Для уменьшения износа шарнирных соединений искусственный скелет может быть выполнен из антифрикционного сплава на основе алюминия или сплава с высоким содержанием графита. Подобные сплавы отличаются достаточной ударной вязкостью и прочностью, легкостью и низкой стоимостью, и при этом они имеют антифрикционные свойства. Графит, выделяющийся в процессе истирания сочленений (суставов) скелета, может служить в качестве смазки. Бионическая конечность может дополнительно содержать оболочку, в качестве которой может служить искусственная кожа, представляющая собой слой латекса со встроенными в него матрицами пьезоэлектриков. Для обеспечения возможности восстановления искусственной кожи слой латекса должен дополнительно содержать, по меньшей мере, один катализатор полимеризации.To prevent short-term contact loss during movement, parts of the artificial nerves that are exposed to the polymer dielectric are woven with intermetallic filaments and nylon and / or polyethylene fiber. To reduce the wear of articulated joints, the artificial skeleton can be made of an antifriction alloy based on aluminum or an alloy with a high graphite content. Such alloys are characterized by sufficient toughness and strength, lightness and low cost, and at the same time they have antifriction properties. The graphite released during the abrasion of the joints (joints) of the skeleton can serve as a lubricant. The bionic limb may additionally contain a shell, which can be artificial skin, which is a layer of latex with embedded piezoelectric matrices. To enable the restoration of artificial skin, the latex layer must additionally contain at least one polymerization catalyst.

Для обеспечения возможности быстрого восстановления искусственные мышцы должны представлять собой среду из, по меньшей мере, одного полиорганосилоксана и дополнительно введенных, по меньшей мере, одной эпоксидной смолы и, по меньшей мере, одного катализатора полимеризации. Для поддержания и усиления входящего импульса искусственные нервы могут дополнительно содержать нановолокна поливинилиденфторида. Матрица из пьезоэлектриков может представлять собой матрицу нановолокон поливинилиденфторида, которые обладают прочностью и чувствительностью к соприкосновениям.To enable rapid recovery, artificial muscles must be a medium of at least one polyorganosiloxane and additionally introduced at least one epoxy resin and at least one polymerization catalyst. To maintain and enhance the incoming pulse, artificial nerves may additionally contain polyvinylidene fluoride nanofibres. The matrix of piezoelectrics may be a matrix of polyvinylidene fluoride nanofibres that are strong and sensitive to contact.

Технический результат достигается также за счет того, что предложен способ изготовления бионической конечности, в котором искусственные нервы готовятпосредством смешивания вспенивателя и, по крайней мере, одного органического электропроводящего полимера, полученную смесь нагревают до температуры разложения вспенивателя, выдерживают до завершения процесса образования сквозных пор, остужают и пропускают через фильеру, пропитывают полученную нить раствором ионов Na⁺и К⁺, обвивают ее, по крайней мере, одним слоем полимерного диэлектрика и на один конец наносят катионообменную мембрану, пропускающую ионы щелочных металлов, искусственные мышцы готовят посредством прошивания среды из, по крайней мере, одного полиорганосилоксана, одной или более нитями, по крайней мере, одного интерметаллида с памятью формы, а также нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном, далее вшивают искусственные нервы, по крайней мере, двух типов, выбранных из группы: чувствительные, двигательные и смешанные, в искусственные мышцы таким образом, чтобы оголенные от полимерного диэлектрика участки двигательных и/или смешанных искусственных нервов соприкасались с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном, концы чувствительных и/или смешанных искусственных нервов без нанесенной катионообменной мембраны, пропускающей ионы щелочных металлов, соединяют с матрицей пьезоэлектриков, при этом искусственные мышцы соединяют с искусственным скелетом.The technical result is also achieved due to the fact that the proposed method of manufacturing a bionic limb, in which artificial nerves are prepared by mixing a blowing agent and at least one organic electrically conductive polymer, the resulting mixture is heated to the decomposition temperature of the blowing agent, kept until completion of the formation of through pores, cooled and passed through a spinneret, the resulting yarn is impregnated with a solution of Na ⁺ ions and K ^+, encircle it at least one layer of polymer dielectric and a cation exchange membrane is applied to one end, passing alkali metal ions, artificial muscles are prepared by flashing medium from at least one polyorganosiloxane with one or more threads of at least one intermetallic with shape memory, as well as nylon and / or with polyethylene fiber, artificial nerves of at least two types, selected from the group, are sutured, sensitive, motor and mixed, into the artificial muscles in such a way that the sections of the two exposed from the polymer dielectric of adherent and / or mixed artificial nerves were in contact with intermetallic filaments and nylon and / or polyethylene fiber, the ends of sensitive and / or mixed artificial nerves without a cation exchange membrane passing through alkali metal ions are connected to a piezoelectric matrix, while the artificial muscles are connected to an artificial skeleton .

Чтобы придать искусственным мышцам свойство самовосстановления, во время их приготовления предварительно можно произвести плавление полиорганосилоксана и его смешение с, по крайней мере, одной эпоксидной смолой и с, по крайней мере, одним катализатором полимеризации с последующим охлаждением полученной смеси.In order to give self-healing property to artificial muscles, during their preparation it is possible to preliminarily melt the polyorganosiloxane and mix it with at least one epoxy resin and at least one polymerization catalyst with subsequent cooling of the resulting mixture.

Состав и функциональность искусственных мышц объясняются следующим. Полиорганосиликаны имеют ряд преимуществ по сравнению с другими имитаторами живых тканей. Изделия из них являются наиболее безвредными и долговечными, имеют очень низкую температуру стеклования (около -130°C), способны копировать и сохранять заданный им внешний вид, а также поконсистенции они близки к биологическим тканям, например натуральным мышцам.The composition and functionality of artificial muscles are explained by the following. Polyorganosilicans have several advantages over other imitators of living tissues. Products from them are the most harmless and durable, have a very low glass transition temperature (about -130 ° C), are able to copy and preserve the appearance they set, and as long as they are close to biological tissues, for example, natural muscles.

Известен ряд материалов с памятью формы, для которых также возможен эффект самовосстановления. Одним из наиболее распространенных примеров такого материала служит интерметаллид Ni-Ti (нитинол), в котором на один атом титана приходится один атом никеля. Если выполненное из него изделие деформировать, то при нагревании оно снова примет прежнюю форму. Наравне с нагревом в виду наличия некоторого сопротивления вернуть форму изделию можно также посредством пропускания через него тока. В случае если изделие представляет собой тонкую нить, это можно сделать даже небольшим током, например, до 20 мА/см², который течет по нервным волокнам. Запоминание своего положения при тех или иных условиях, а также возможность самовосстановления, обусловлены эффектом дисклинации, при котором происходит миграция зерен на границах дефектных зон, то есть металлические дефекты обретают поля напряжений с настолько интенсивными зарядами, что края трещин сближаются и поврежденный интерметаллид регенерируется.A number of materials with shape memory are known, for which the self-healing effect is also possible. One of the most common examples of such a material is Ni-Ti intermetallic compound (nitinol), in which one nickel atom is produced per titanium atom. If the product made from it is deformed, then when heated it will again take its previous shape. Along with heating, in view of the presence of some resistance, the product can also be restored to shape by passing current through it. If the product is a thin thread, this can be done even with a small current, for example, up to 20 mA / cm ² that flows through nerve fibers. Memorization of one’s position under certain conditions, as well as the possibility of self-healing, are caused by the disclination effect, in which the grains migrate at the boundaries of the defective zones, i.e., metal defects acquire stress fields with such intense charges that the edges of the cracks come together and the damaged intermetallide is regenerated.

Было установлено, что подобным свойством могут обладать некоторые другие интерметаллиды на основе никеля, в которых второй компонент в чистом виде имеет гексагональную плотноупакованную или кубическую объемно-центрированную решетку. К таким интерметаллидам относятся Ni-Zr и Ni-V. Использование последнего в медицинских целях исключается в виду повышенной токсичности ванадия и его соединений, однако его применение возможно в робототехнике при создании манипуляторов.It was found that some other nickel-based intermetallic compounds may have a similar property, in which the second component in its pure form has a hexagonal close-packed or cubic body-centered lattice. Such intermetallic compounds include Ni-Zr and Ni-V. The use of the latter for medical purposes is excluded in view of the increased toxicity of vanadium and its compounds, however, its use is possible in robotics when creating manipulators.

Исследование интерметаллида Ni-Zr, в котором на один атом никеля приходится один атом циркония, показало, что он способен немного быстрее реагировать на электрические импульсы, нежели нитинол (Ti-Ni), что скорее всего связано с теплопроводностью второго компонента: теплопроводность циркония при 300 К составляет 22,7 Вт/(м·К), а титана - 21,9 Вт/(м·К). Известно проявление памяти формы под воздействием магнитного поля у интерметаллидного соединения, называемого сплавом Гейслера и имеющегоследующую формулу: X₂YZ, где X, Y, Z - разные металлы. Наиболее распространенным видом данного сплава является Ni₂MnGa. Память формы вызывается мартенситным фазовым переходом, и может также обеспечиваться электрическими импульсами, меняющими магнитное поле сплава Гейслера. Помимо вышеперечисленных известен также интерметаллид с памятью формы -Fe-Mn-Si, который отличается низкой стоимостью.A study of the Ni-Zr intermetallic compound, in which one zirconium atom per nickel atom, showed that it is able to respond to electric pulses a little faster than nitinol (Ti-Ni), which is most likely due to the thermal conductivity of the second component: thermal conductivity of zirconium at 300 K is 22.7 W / (m · K), and titanium is 21.9 W / (m · K). The manifestation of shape memory under the influence of a magnetic field is known for an intermetallic compound called a Geisler alloy and having the following formula: X ₂ YZ, where X, Y, Z are different metals. The most common type of this alloy is Ni ₂ MnGa. Shape memory is caused by a martensitic phase transition, and can also be provided by electric pulses that change the magnetic field of the Geisler alloy. In addition to the above, an intermetallic with a shape memory -Fe-Mn-Si is also known, which has a low cost.

Также известны другие материалы с памятью формы, например, такие как интерметаллиды: Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-Si, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co-Ni и Ni-Al. Однако в виду их слабовыраженных свойств памяти формы и самовосстановления их сложнее использовать на практике. Таким образом, для управления бионической мышцей электрическими импульсами ее необходимо прошить нитями, по крайней мере, одного интерметаллида с памятью формы, при этом толщину нитей следует подбирать, исходя из величины поступающих сигналов - соответственно, исходя из размера, типа и характеристик нерва, от которого передается сигнал, электропроводности интерметаллида и выраженности его свойства памяти формы. В большинстве случаев для восприятия малых нервных импульсов рекомендуемая толщина нитей должна быть небольшой - порядка 0,02-0,5 мм. Однако в случае применения некоторых интерметаллидов с высокой электропроводностью данный диапазон может быть расширен. Так в случае применения интерметаллида Au-Cd толщина нити может составлять более 0,5 мм, однако в виду присущей ему хрупкости его использование нежелательно. Для восприятия сильных импульсов толщина может составлять несколько миллиметров и более того.Other shape memory materials are also known, for example, such as intermetallides: Au-Cd, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Fe-Mn-Si, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Mn, Co- Ni and Ni-Al. However, in view of their weakly expressed properties of shape memory and self-healing, it is more difficult to use them in practice. Thus, to control the bionic muscle with electrical impulses, it is necessary to flash it with threads of at least one intermetallic with shape memory, while the thickness of the threads should be selected based on the size of the incoming signals - respectively, based on the size, type and characteristics of the nerve from which the signal is transmitted, the electrical conductivity of the intermetallic compound and the severity of its shape memory properties. In most cases, for the perception of small nerve impulses, the recommended thickness of the threads should be small - about 0.02-0.5 mm. However, in the case of some intermetallic compounds with high electrical conductivity, this range can be expanded. So in the case of the use of Au-Cd intermetallic compound, the thickness of the thread can be more than 0.5 mm, however, due to its inherent fragility, its use is undesirable. For the perception of strong impulses, the thickness can be several millimeters or more.

Вместе с тем использование подобного интерметаллида без среды, которая играет роль теплоизолятора и электроизолятора (в данном случае полиорганосилоксан), способствует чувствительности интерметаллида к температуре окружающей среды, и таким образом его движение становится неконтролируемым.At the same time, the use of such an intermetallic compound without a medium, which plays the role of a heat insulator and an electrical insulator (in this case polyorganosiloxane), contributes to the sensitivity of the intermetallic compound to ambient temperature, and thus its movement becomes uncontrolled.

Существуют материалы, способные быстро сжиматься под тепловым воздействием. Ими являются полиэтиленовое и нейлоновое волокна,отличающиеся низкой стоимостью, высокой прочностью и износостойкостью. Однако их использование в качестве искусственных мышц без нитей интерметаллидов с памятью формы приводит к ряду проблем. В виду небольшой электропроводности волокон слабые токовые импульсы не способны привести такие мышцы в действие без дополнительных электронных устройств. Однако в случае синхронного воздействия импульса и на интерметаллидные нити с памятью формы и на нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно мышцы через некоторое количество повторяющихся импульсов становятся способны сокращаться с большой амплитудой и скоростью. Это связано с цепной реакцией: первый импульс приводит к небольшому сокращению волокна, провоцирующему небольшое сжатие интерметаллида, с которым он находится в одной системе, соединенной полиорганосилоксановой средой, второй импульс уже непосредственно сжимает интерметаллид, запомнивший свое прежнее положение при токе с определенными характеристиками (сила, частота), в связи с чем волокно сокращается с большей амплитудой. С третьим и последующими импульсами искусственная мышца начинает работать с высокой скоростью и амплитудой движения. Таким образом, искусственная мышца может полноценно работать только при подаче электрического импульса и на волокно и на интерметаллидные нити одновременно.There are materials that can quickly compress under the influence of heat. They are polyethylene and nylon fibers, characterized by low cost, high strength and wear resistance. However, their use as artificial muscles without filaments of intermetallic compounds with shape memory leads to a number of problems. Due to the low electrical conductivity of the fibers, weak current pulses are not able to bring such muscles into action without additional electronic devices. However, in the case of a synchronous effect of a pulse on both intermetallic filaments with shape memory and on a nylon and / or polyethylene fiber, muscles after a certain number of repetitive pulses become able to contract with large amplitude and speed. This is due to a chain reaction: the first pulse leads to a small contraction of the fiber, which provokes a slight compression of the intermetallic compound with which it is in the same system connected by a polyorganosiloxane medium, the second pulse already directly compresses the intermetallic compound, which remembers its previous position at a current with certain characteristics (force, frequency), in connection with which the fiber contracts with a larger amplitude. With the third and subsequent impulses, the artificial muscle begins to work with high speed and amplitude of movement. Thus, an artificial muscle can fully work only when an electrical impulse is applied to both the fiber and the intermetallic filaments simultaneously.

Прошивание искусственной мышцы нитями эластомера дополнительно упрочнит ее и позволит совершать более сглаженные и плавные движения при сохранении прочих параметров. В качестве эластомера допустимо применять различные каучуки и резины, желательно, с высокой эластичностью и сопротивлением раздиру.Sewing an artificial muscle with elastomer threads will additionally strengthen it and allow for more smooth and smooth movements while maintaining other parameters. It is permissible to use various rubbers and rubbers as an elastomer, preferably with high elasticity and tear resistance.

Наличие в составе искусственной мышцы эпоксидной смолы наравне с катализатором полимеризации, например, наиболее доступного катализатора Граббса, позволит мышце за короткий период времени восстановиться в случае повреждений, например, механических, химических или тепловых. При нагревании в развернутом виде волокна нейлоновое способно сокращаться лишь на 4/100, полиэтиленовое - на 3/1000. Однако в случае скручиванияданных волокон по спирали нейлоновое приобретает способность сжиматься на 34/100, а полиэтиленовое - на 16/100. Этот эффект объясняется простым физическим явлением: в выпрямленном виде нить сокращается за счет увеличения ее толщины, во втором случае она сокращается и за счет увеличения ее толщины и за счет сокращения спирали. Указанные значения близки к способности сокращения натуральных мышечных волокон и могут позволить их аналогу поднимать груз большой массы.The presence of an epoxy resin in the composition of an artificial muscle along with a polymerization catalyst, for example, the most affordable Grubbs catalyst, will allow the muscle to recover in a short period of time in case of damage, for example, mechanical, chemical or thermal. When heated in expanded form, the nylon fiber can be reduced only by 4/100, polyethylene - by 3/1000. However, in the case of twisting these fibers in a spiral, nylon acquires the ability to compress by 34/100, and polyethylene - by 16/100. This effect is explained by a simple physical phenomenon: in a straightened form, the thread is reduced by increasing its thickness, in the second case, it is reduced by increasing its thickness and by reducing the spiral. The indicated values are close to the ability to reduce natural muscle fibers and may allow their counterpart to lift a load of large mass.

В том случае, если нити интерметаллидов с памятью формы скручены по спирали, реакция искусственной мышцы на один и тот же импульс тока становится лучше: по скорости, степени сокращения и прямолинейности движений, то есть отсутствуют колебания, перпендикулярные оси прохождения спиралей интерметаллидных нитей. Скорость и степень сокращения интерметаллидов объясняются аналогичным эффектом, как в случае нейлоновых и полиэтиленовых волокон. Отсутствие перпендикулярных колебаний объясняется следующим. Движение интерметаллида в виде выпрямленной нити сложнее предсказать в виду того, что оно определяется памятью кристаллической структуры металла лишь на сечении тонкой нити. В случае если температура в силу каких-то факторов на одном участке нити станет сильно отличаться от температуры на других участках, это может привести к некорректному движению искусственной мышцы. Вместе с тем движение интерметаллида в виде нити, скрученной по спирали, станет определяться памятью кристаллической структуры металла на всем сечении витка спирали, что способствует стабилизации и прямолинейности движений. Если нити интерметаллидов с памятью формы будут скручены вместе с волокном по спирали друг вокруг друга, это приведет к ряду положительных эффектов, а именно: к более плавному началу и концу сокращения искусственной мышцы под действием электрического импульса, к дополнительному увеличению скорости сокращения и к снижению внутреннего трения. Поскольку чувствительные к токовому импульсу материалы реагируют на ток с различной скоростью (например, интерметаллид в виду своей высокой электропроводности реагирует на ток быстрее), их переплетение приведет к ихсинхронному движению, что сократит трение внутри материала и, соответственно, уменьшит его износ.In the event that the filaments of intermetallic compounds with shape memory are twisted in a spiral, the reaction of an artificial muscle to the same current pulse becomes better: in speed, degree of contraction and straightness of movements, that is, there are no vibrations perpendicular to the axis of passage of the spirals of intermetallic filaments. The rate and degree of reduction of intermetallic compounds are explained by a similar effect, as in the case of nylon and polyethylene fibers. The absence of perpendicular vibrations is explained by the following. The movement of an intermetallic compound in the form of a straightened filament is more difficult to predict since it is determined by the memory of the crystal structure of the metal only on the cross section of a thin filament. If the temperature, due to some factors in one section of the thread, starts to differ greatly from the temperature in other sections, this can lead to incorrect movement of the artificial muscle. At the same time, the movement of the intermetallic compound in the form of a filament twisted in a spiral will be determined by the memory of the crystalline structure of the metal over the entire cross section of the spiral coil, which contributes to stabilization and straightforwardness of movements. If the filaments of intermetallic compounds with shape memory are twisted together with the fiber in a spiral around each other, this will lead to a number of positive effects, namely: a smoother start and end of contraction of the artificial muscle under the influence of an electric impulse, an additional increase in the contraction rate and a decrease in the internal friction. Since materials sensitive to a current pulse react to current at different speeds (for example, an intermetallic compound reacts to a current faster because of its high electrical conductivity), their interweaving will lead to their synchronous movement, which will reduce friction inside the material and, accordingly, reduce its wear.

Помимо этого стоит отметить, что вшивание нитей интерметаллида и волокна в скрученном состоянии увеличивает их сцепление с основой, и таким образом во время сокращения в мышце не происходит внутреннего трения и она работает с максимальной эффективностью.In addition, it is worth noting that the stitching of intermetallic filaments and fibers in a twisted state increases their adhesion to the base, and thus, during muscle contraction, internal friction does not occur and it works with maximum efficiency.

Для дополнительного улучшения сцепления, что в большей степени требуется, если нить находится в выпрямленном состоянии, ее можно соединять с полиорганосилоксановой основой, например, посредством склеивания или высокотемпературного нагрева. В случае последнего полиорганосилоксан вначале расплавляется, а при дальнейшем охлаждении срастается с нитью. Склеивание лучше проводить клеем на основе эпоксидной смолы, которая в случае разрыва быстро полимеризуется под действием катализатора. Искусственная мышца может быть дополнительного прошита волокном углеродных нанотрубок, которое также сокращается под действием электрических импульсов и при этом обладает высокими прочностными свойствами, реагирует на импульсы с высокой скоростью и имеет хорошую восприимчивость к слабому току. Таким образом, его наличие может несколько улучшить соответствующие свойства мышцы, однако стоимость последней в таком случае увеличится.To further improve the adhesion, which is more required if the thread is in a straightened state, it can be combined with a polyorganosiloxane base, for example, by bonding or high temperature heating. In the case of the latter, the polyorganosiloxane is first melted and, upon further cooling, grows together with the filament. Bonding is best done with an epoxy-based adhesive, which, in the event of a break, quickly polymerizes under the influence of a catalyst. An artificial muscle can be additionally stitched with carbon nanotube fiber, which also contracts under the influence of electrical impulses and at the same time has high strength properties, responds to impulses with high speed and has good susceptibility to low current. Thus, its presence can slightly improve the corresponding properties of the muscle, but the cost of the latter in this case will increase.

Состав и функциональность искусственных нервов объясняются следующим. Долгое время существовала проблема создания искусственного аналога нервного волокна - электропроводящего материала, который можно было бы сшить с нервом. Однако большинство проводников являются металлами и другими неорганическими веществами, очень далекими по химическому сродству с нервной тканью. Подобную проблему можно решить, используя органические электропроводящие полимеры, в качестве которых рекомендуется использовать полипиррол, полиазулен, политиофен, поли-α-нафтиламин или их смесь. Перечисленные полимеры, являясь безвредными, обладая высокими температуро- и химической устойчивостью, помимо всего прочего, способны не только сшиваться с нервами, но при пропускании сквозь нерв токаспособствуют восстановлению нервного волокна, что было установлено экспериментально. В наиболее выраженной форме такое свойство проявляет полипиррол.The composition and functionality of artificial nerves are explained as follows. For a long time there was the problem of creating an artificial analogue of nerve fiber - an electrically conductive material that could be sewn with a nerve. However, most conductors are metals and other inorganic substances that are very distant in chemical affinity for nerve tissue. A similar problem can be solved using organic electrically conductive polymers, which are recommended to use polypyrrole, polyazulene, polythiophene, poly-α-naphthylamine or a mixture thereof. The listed polymers, being harmless, having high temperature and chemical resistance, among other things, are able not only to cross-link with nerves, but when passed through a nerve, they contribute to the restoration of nerve fiber, which was established experimentally. In the most pronounced form, polypyrrole exhibits this property.

Токовый импульс в живом нерве проходит сразу в обе стороны, то есть из мозга - в аксон, передающий импульс рабочему органу, и наоборот - из аксона в мозг, при этом импульс передается в обе стороны по всему объему нервного волокна. В первую очередь, это происходит за счет перемещения по объему волокна зарядов в обе стороны - в качестве отрицательного заряда служат электроны, а в качестве положительного - ионы натрия, причем полный ионный ток обуславливается сразу тремя явлениями: движением ионов натрия, противоположным движением ионов калия и током утечки, расходующимся на работу принимающих органов. Чтобы обеспечить способность искусственного нерва к ионному обмену с настоящим, он должен обладать сквозной пористостью, причем поры должны быть заполнены раствором ионов натрия и калия, например, в виде раствора NaCl и KCl, при этом на сшиваемый конец искусственного нерва необходимо нанести катионообменную мембрану, пропускающую ионы щелочных металлов.The current impulse in the living nerve passes immediately in both directions, that is, from the brain to the axon, which transfers the impulse to the working organ, and vice versa - from the axon to the brain, while the impulse is transmitted in both directions throughout the volume of the nerve fiber. First of all, this happens due to the movement of charges in the fiber volume in both directions - electrons serve as a negative charge, and sodium ions as a positive charge, and the total ion current is caused immediately by three phenomena: the movement of sodium ions, the opposite movement of potassium ions and leakage current spent on the work of the receiving organs. To ensure the ability of the artificial nerve to ion exchange with the present, it must have through porosity, and the pores must be filled with a solution of sodium and potassium ions, for example, in the form of a solution of NaCl and KCl, while a cation-exchange membrane must be applied to the stitched end of the artificial nerve, passing alkali metal ions.

В дальнейшем перед проведением искусственной иннервации необходимо будет механическим способом сделать на конце искусственного нерва углубление. При сшивании в это углубление помещается конец живого нерва таким образом, чтобы и волокно и оболочка последнего имели соприкосновение с электропроводящим полимером, но при этом чтобы поры полимера были полностью закрыты мембраной. В таком случае волокно и оболочка срастаются с полимером. Более того, использование полимеров полиазулена, политиофена, поли-α-нафтиламина, а в большей степени полипиррола, приводит к заживлению и ускоренному разрастанию нервной ткани.In the future, before performing artificial innervation, it will be necessary to mechanically make a recess at the end of the artificial nerve. When stapling, the end of the living nerve is placed in this recess so that both the fiber and the sheath of the latter are in contact with the electrically conductive polymer, but at the same time that the pores of the polymer are completely covered by the membrane. In this case, the fiber and sheath are fused with the polymer. Moreover, the use of polymers of polyazulene, polythiophene, poly-α-naphthylamine, and to a greater extent polypyrrole, leads to healing and accelerated proliferation of nerve tissue.

Чтобы изготовить такой материал, необходимо смешать вспениватель (порофор) и, по крайней мере, один органический электропроводящий полимер. Полученную смесь необходимо нагреть до температуры разложения вспенивателя, выдержать до завершения процесса образования сквозных пор, остудить и пропустить через фильеру.Для оптимизации процесса порообразования вспениватель следует подбирать исходя из типа электропроводящего полимера, при этом температура разложения вспенивателя должна быть ниже температуры разложения полимера.To make such a material, it is necessary to mix a blowing agent (porophore) and at least one organic electrically conductive polymer. The resulting mixture must be heated to the decomposition temperature of the blowing agent, maintained until the through pore formation process is completed, cooled and passed through the die. To optimize the pore formation process, the blowing agent should be selected based on the type of the electrically conductive polymer, while the decomposition temperature of the blowing agent should be lower than the decomposition temperature of the polymer.

Стоит отметить, что изготовление полимерной нити со сквозной пористостью посредством высокотемпературного пропускания через фильеру в какой-то степени приводит к сглаживанию поверхности нити и закрыванию пор. В дальнейшем это предотвращает потерю раствора ионов натрия и калия. Их утечку также предотвращает один или более слоев полимерного диэлектрика, нанесенных на нерв.It should be noted that the manufacture of polymer filaments with through porosity by means of high-temperature transmission through the die to some extent leads to smoothing of the surface of the filament and closing of the pores. In the future, this prevents the loss of a solution of sodium and potassium ions. Their leakage also prevents one or more layers of polymer dielectric deposited on the nerve.

Если сшивать подобным образом изготовленный искусственный нерв с настоящим, на сшиваемый конец необходимо будет нанести катионообменную мембрану, пропускающую ионы щелочных металлов.If a man-made artificial nerve is stitched in such a way with the real one, it will be necessary to apply a cation exchange membrane passing through alkali metal ions to the stitched end.

В качестве мембраны можно использовать мембрану марки МК-40, представляющую собой композит из ионообменной смолы КУ-2 и полиэтилена, и гомогенную мембрану nafion-117, представляющую собой сополимер тетрафторэтилена и перфторированного сульфосодержащего винилового эфира, а также многие другие катионообменные мембраны, которые следует подбирать, исходя из их химической стойкости, цены и величины пор. При возбуждении нейрона или его отростка - аксона, ионы Na⁺устремляются внутрь упомянутого нейрона. В противоход потоку ионов Na⁺из клетки через мембрану диффундирует компенсирующий поток ионов К⁺, который несколько запаздывает. Аналогичное явление можно наблюдать и при прохождении ионов через искусственную катионообменную мембрану. Это связано с различием в размерах ионов калия и натрия (радиус иона калия - 133 пм, натрия - 97 пм), притом что такие характеристики, как электроотрицательность и электродный потенциал, у них слабо различаются.As a membrane, you can use the MK-40 brand membrane, which is a composite of KU-2 ion exchange resin and polyethylene, and the nafion-117 homogeneous membrane, which is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorinated sulfonated vinyl ether, as well as many other cation exchange membranes that should be selected based on their chemical resistance, price and pore size. When a neuron or its process, an axon, is excited, Na ⁺ ions rush into the aforementioned neuron. In contrast to the flow of Na ⁺ ions from the cell, a compensating flow of K ⁺ ions diffuses through the membrane, which is somewhat delayed. A similar phenomenon can be observed with the passage of ions through an artificial cation exchange membrane. This is due to the difference in the sizes of potassium and sodium ions (potassium ion radius - 133 pm, sodium - 97 pm), while such characteristics as electronegativity and electrode potential differ slightly between them.

Данный процесс приводит к возникновению отрицательного заряда на наружной поверхности клеточной мембраны. Внутренняя поверхность мембраны приобретает положительный заряд, что провоцирует возникновение потенциала действия.В случае сшивания живого нерва с предложенным искусственным аналогом зарождение потенциала действия имеет место быть не на границе "живой нерв (или искусственный нерв) - принимающий орган", а на границе "живой нерв -искусственный нерв", поскольку последний в таком случае и станет служить в качестве промежуточного принимающего органа, который в дальнейшем передаст импульс в конечный принимающий орган. О недостатках подобного устройства судить сложно, однако очевидно, что такая разница станет нести отрицательный эффект в том случае, если будет происходить дополнительная потеря тока на протяжении искусственного нерва в виду его электрических свойств и параметров его соединений с нервом и мышцами. Чтобы исключить сильную потерю тока, упомянутый искусственный нерв должен быть полностью или частично обвит, по крайней мере, одним слоем полимерного диэлектрика. Оставить оголенные участки можно лишь в местах соприкосновения с принимающим органом.This process leads to the appearance of a negative charge on the outer surface of the cell membrane. The inner surface of the membrane acquires a positive charge, which provokes the occurrence of an action potential. In the case of a cross-linking of a living nerve with the proposed artificial analogue, the nucleation of the action potential takes place not at the border "living nerve (or artificial nerve) - receiving organ", but at the border "artificial nerve", since the latter will then serve as an intermediate receiving organ, which will subsequently transmit an impulse to the final receiving organ. It is difficult to judge the shortcomings of such a device, however, it is obvious that such a difference will have a negative effect if an additional loss of current occurs during the artificial nerve due to its electrical properties and the parameters of its connections with the nerve and muscles. To exclude a strong loss of current, the aforementioned artificial nerve must be completely or partially entwined with at least one layer of a polymer dielectric. Leave bare areas only in places of contact with the receiving authority.

Стоит также отметить, что, несмотря на то, что предложенный полимерный искусственный нерв может служить аналогом живого, тем не менее, он не способен в точности воспроизводить весь сложный процесс, протекающий в нервном волокне при получении или передаче импульса исполнительному органу. Это чревато тем, что импульс мозга будет доходить до цели не в полной степени. Однако в случае, если исполнительный орган имеет двигательную функцию (например, как мышцы), эту проблему можно отчасти решить, если искусственный нерв будет содержать нановолокна органического полимера поливинилиденфторида, которое можно получать в процессе так называемого электропрядения. У этого вещества были обнаружены пьезоэлектрические свойства, при этом он имеет много преимуществ по сравнению с неорганическими веществами, генерирующими ток: он не является хрупким, а также имеет большее сродство с полипирролом, полиазуленом и политиофеном, из которых в большей степени состоит полимерный искусственный нерв. Использование нановолокна поливинилиденфторида приведет к компенсации тормозящих эффектов. Когда исходный сигнал мозга через нерв дойдет до исполнительного двигательного органа, движение последнего приведет кдвижению искусственного нерва, в котором вместе с ним станут деформироваться нановолокна поливинилиденфторида, усиливая поступающий сигнал.It is also worth noting that, despite the fact that the proposed polymer artificial nerve can serve as an analogue of a living one, nevertheless, it is not able to accurately reproduce the entire complex process that occurs in the nerve fiber when an impulse is received or transmitted to the executive organ. This is fraught with the fact that the brain impulse will not reach the goal to the full extent. However, if the executive organ has a motor function (for example, as muscles), this problem can be partially solved if the artificial nerve contains nanofibers of the organic polymer polyvinylidene fluoride, which can be obtained in the process of so-called electrospinning. This substance has been found to have piezoelectric properties, while it has many advantages compared with inorganic substances that generate current: it is not fragile, and also has a greater affinity for polypyrrole, polyazulene and polythiophene, which make up the polymeric artificial nerve to a greater extent. The use of polyvinylidene fluoride nanofiber will compensate for the inhibitory effects. When the initial brain signal through the nerve reaches the executive motor organ, the movement of the latter will lead to the movement of the artificial nerve, in which the polyvinylidene fluoride nanofibers begin to deform, amplifying the incoming signal.

Описанное усовершенствование рекомендуется применять в случае, если искусственный нерв служит в роли двигательного. Если же он служит в роли чувствительного, то к его концу, который должен принять сигнал, то есть "чувство", должна быть присоединена матрица из пьезоэлектриков, в роли которых могут служить, например, элементы из пьезоэлектрической керамики, изготовленной из цирконататитаната свинца PbZrO₃ - PbTiO₃, или элементы, состоящие из Bi₁₂GeO₂₈ или Bi₁₂SiO₂₀, однако в силу высокой прочности и чувствительности предпочтительно использовать нановолокна поливинилиденфторида. При реализации такой схемы движение пьезоэлектриков приведет к созданию сигнала-чувства, идущего в мозг. Для того чтобы исходный сигнал, поступающий, например, из мозга, не ослабевал на протяжении искусственного нерва и практически без потерь доходил до исполнительного органа, например, искусственной мышцы, двигательные и/или смешанные (отвечающие и за движение и за чувствительность) искусственные нервы одним концом либо в целостном состоянии, либо в разветвленном должны быть вшиты в искусственные мышцы таким образом, чтобы оголенные от полимерного диэлектрика части искусственных нервов имели соприкосновение с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном. Чтобы обеспечить это, на части искусственных нервов слои диэлектрика можно либо не наносить изначально, либо нанести с дальнейшим снятием - это зависит от того, какой из методов в той или иной ситуации удобней.The described improvement is recommended if the artificial nerve serves as a motor nerve. If it serves as a sensitive one, then a matrix of piezoelectrics should be attached to its end, which should receive the signal, that is, “feeling”, in the role of which, for example, elements from piezoelectric ceramics made of lead zirconate titanate PbZrO ₃ can serve - PbTiO ₃ , or elements consisting of Bi ₁₂ GeO ₂₈ or Bi ₁₂ SiO ₂₀ , however, due to its high strength and sensitivity, it is preferable to use polyvinylidene fluoride nanofibres. When implementing such a scheme, the movement of piezoelectrics will lead to the creation of a signal-feeling going to the brain. In order for the initial signal coming, for example, from the brain, not weaken during the artificial nerve and almost without loss reach the executive organ, for example, artificial muscles, motor and / or mixed (responsible for both movement and sensitivity) artificial nerves with one the end, either in a hollow state or in a branched one, must be sewn into the artificial muscles so that the parts of the artificial nerves exposed from the polymer dielectric are in contact with the intermetallic filaments and not malonic and / or polyethylene fibers. To ensure this, on parts of the artificial nerves, the dielectric layers can either not be applied initially, or applied with further removal - this depends on which method is more convenient in a given situation.

При этом оголенные участки искусственных нервов лучше обвить с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном для того, чтобы избежать кратковременную потерю контакта между ними в процессе движения, поскольку в некоторый момент сильного сокращения активные составляющие мышцы могут отсоединяться от нерва, подающего сигнал, что приведет к снижению амплитуды сокращения.Таким образом, искусственный нерв является двигательным или смешанным (по аналогии с живым нервом) в случае, если он одним концом либо в целостном состоянии, либо в разветвленном вшит в искусственные мышцы таким образом, что оголенные от полимерного диэлектрика части упомянутого нерва имеют соприкосновение с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном. В таком случае возможность нерва управлять мышцами обеспечивается за счет отсутствия электрической изоляции между ними. Искусственный нерв является чувствительным или смешанным в случае, если он одним концом присоединен к матрице пьезоэлектриков. Как упоминалось выше, это приводит к созданию сигнала-чувства. Исходя из вышеизложенного следует, что вид искусственного нерва (двигательный, смешанный, чувствительный) предопределен его взаимосвязью с частями искусственных мышц и с матрицей пьезоэлектриков.At the same time, it is better to twist the exposed areas of the artificial nerves with intermetallic filaments and nylon and / or polyethylene fiber in order to avoid a short-term loss of contact between them during movement, since at some moment of strong contraction the active components of the muscles can detach from the nerve that gives the signal, which will lead to a decrease in the amplitude of contraction. Thus, the artificial nerve is motor or mixed (similar to the living nerve) if it is one end or in a holistic state or in branched stitched into artificial muscles in such a way that the parts of the nerve exposed from the polymer dielectric are in contact with the threads of intermetallic compounds and nylon and / or polyethylene fiber. In this case, the ability of the nerve to control the muscles is provided due to the lack of electrical isolation between them. An artificial nerve is sensitive or mixed if it is attached at one end to a piezoelectric matrix. As mentioned above, this leads to the creation of a signal-feeling. Based on the foregoing, it follows that the type of artificial nerve (motor, mixed, sensitive) is predetermined by its relationship with parts of artificial muscles and with a matrix of piezoelectrics.

С целью дополнительной защиты и придания внешнего вида в качестве оболочки бионической конечности может служить искусственная кожа, представляющая собой слой латекса, непосредственно в который можно встроить матрицы пьезоэлектриков. В таком случае искусственная кожа сможет копировать осязательные функции настоящей кожи и более-менее соответствовать ее внешнему виду.For the purpose of additional protection and giving an appearance, the skin of a bionic limb can be artificial skin, which is a layer of latex, directly into which piezoelectric matrices can be embedded. In this case, artificial skin can copy the tactile functions of real skin and more or less correspond to its appearance.

Если слой латекса будет дополнительно содержать, по меньшей мере, один катализатор полимеризации, то после повреждений он сможет регенерироваться.If the latex layer will additionally contain at least one polymerization catalyst, then after damage it can be regenerated.

Бионическая конечность может содержать искусственный скелет, представляющий собой изделия в форме костей, шарнирно соединенные между собой. Упомянутые изделия также должны быть соединены между собой искусственными мышцами таким образом, чтобы при сокращении мышц происходило движение изделий относительно друг друга. Вместе с тем желательно, чтобы обеспечивался максимальный сгиб конечности и при этом, чтобы усилие на разгиб не было слишком сильным, то есть чтобы искусственный сустав не выворачивался.Шарнирные соединения во избежание утечки смазки лучше делать закрытыми. В качестве смазки рекомендуется использовать графит или силиконовую смазку.The bionic limb may contain an artificial skeleton, which is a product in the form of bones, pivotally connected to each other. The said products should also be interconnected by artificial muscles so that when the muscles contract, the products move relative to each other. At the same time, it is desirable that the limb is maximally bent and at the same time that the extension force is not too strong, that is, that the artificial joint does not turn out. It is better to make hinged joints to avoid lubricant leakage closed. It is recommended to use graphite or silicone grease as a lubricant.

Искусственный скелет лучше изготавливать из антифрикционного сплава на основе алюминия или сплава с высоким содержанием графита, поскольку подобные сплавы обладают высокой ударной вязкостью и прочностью, легкостью и низкой стоимостью. Графит, выделяющийся при трении изделий в шарнирных соединениях, может играть роль смазки.An artificial skeleton is best made from an antifriction alloy based on aluminum or an alloy with a high graphite content, since such alloys have high toughness and strength, lightness and low cost. Graphite released during friction of products in articulated joints can play the role of a lubricant.

Предложенная бионическая конечность проиллюстрирована на фигурах 1-3, на которых она представляет собой указательный палец правой руки.The proposed bionic limb is illustrated in figures 1-3, in which it represents the index finger of the right hand.

На фигуре 1 изображена схема левой стороны бионического указательного пальца, точно копирующей правую сторону.The figure 1 shows a diagram of the left side of the bionic index finger, exactly copying the right side.

На фигуре 2 изображен бионический указательный палец в расслабленном состоянии.The figure 2 shows a bionic index finger in a relaxed state.

На фигуре 3 изображен бионический палец в разогнутом состоянии.The figure 3 shows a bionic finger in an extended state.

Цифрами на фигурах обозначены следующие элементы:The numbers on the figures indicate the following elements:

1-3 - детали в форме костей,1-3 - bone-shaped parts,

4-9 - искусственные мышцы,4-9 - artificial muscles,

10, 12 - искусственные нервы,10, 12 - artificial nerves,

11, 13 - малые отростки искусственных нервов,11, 13 - small processes of artificial nerves,

14 - большой отросток искусственного нерва.14 - a large process of an artificial nerve.

Углы α, β, γ характеризуют расслабленное состояние, а углы α′, β′, γ′ характеризуют разогнутое состояние бионического пальца. Угол α (α′) представляет собой угол между осью пястной кости и осью детали 3. Угол β (β′) представляет собой угол между осью детали 3 и осью детали 2. Угол γ (γ′) представляет собой угол между осью детали 2 и осью детали 1.The angles α, β, γ characterize the relaxed state, and the angles α ′, β ′, γ ′ characterize the extended state of the bionic finger. The angle α (α ′) represents the angle between the axis of the metacarpal bone and the axis of the part 3. The angle β (β ′) represents the angle between the axis of the part 3 and the axis of part 2. The angle γ (γ ′) represents the angle between the axis of part 2 and part axis 1.

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

В примере 1 раскрывается способ изготовления искусственного нерва без вещества, поддерживающего и усиливающего входящий импульс.В примере 2 раскрывается способ изготовления искусственного нерва с добавлением поливинилиденфторида.Example 1 discloses a method for manufacturing an artificial nerve without a substance supporting and enhancing the incoming pulse. Example 2 discloses a method for manufacturing an artificial nerve with the addition of polyvinylidene fluoride.

В примерах 3-7 раскрывается способ изготовления искусственных мышц. В примере 8 раскрывается способ изготовления бионической конечности.In examples 3-7, a method for manufacturing artificial muscles is disclosed. Example 8 discloses a method for manufacturing a bionic limb.

Пример 1.Example 1

Был изготовлен искусственный нерв длиной 10 см, толщиной (без учета диэлектрика) 1,5 мм. Вначале произвели смешивание полипиррола, полиазулена и вспенивателя при следующем соотношении компонентов, мас. %: политиофен 20 поли-α-нафтиламин 74 вспениватель 6.An artificial nerve was made 10 cm long and 1.5 mm thick (excluding dielectric). Initially, polypyrrole, polyazulene and blowing agent were mixed in the following ratio of components, wt. %: polythiophene 20 poly-α-naphthylamine 74 blowing agent 6.

В качестве вспенивателя использовали порофор марки ДФ-3. Полученную смесь постепенно нагревали до температуры 240°C, то есть до температуры, достаточной для разложения порофора, выдержали в течение 4-х минут - до завершения процесса сквозного порообразования, остудили до температуры 150°C и начали пропускать через фильеру диаметром 1,5 мм. После фильеры полученную нить охладили до температуры 60°C, подрезали до нужного размера и в течение 5 минут пропитывали нагретым до температуры 60°C раствором, содержащим 9 мас. % NaCl и 9 мас. % KCl. Затем нить обвили слоем диэлектрика, состоящим из политетрафторэтилена, толщиной 25 мкм, остудили до комнатной температуры, на концы нанесли катионообменную мембрану МФ-4СК и поместили указанные концы в раствор, содержащий 9 мас. % NaCl и 9 мас. % KCl.As a blowing agent used porphore brand DF-3. The resulting mixture was gradually heated to a temperature of 240 ° C, that is, to a temperature sufficient to decompose the porophore, kept for 4 minutes - until the through pore formation process was completed, cooled to a temperature of 150 ° C and began to pass through a die with a diameter of 1.5 mm . After the die, the obtained thread was cooled to a temperature of 60 ° C, cut to the desired size and soaked in a solution containing 9 wt.% Heated to 60 ° C for 5 minutes. % NaCl and 9 wt. % KCl. Then the thread was wrapped around a dielectric layer consisting of polytetrafluoroethylene, 25 μm thick, cooled to room temperature, a MF-4SK cation exchange membrane was applied to the ends, and these ends were placed in a solution containing 9 wt. % NaCl and 9 wt. % KCl.

С нерва частично сняли слой политетрафторэтилена.A layer of polytetrafluoroethylene was partially removed from the nerve.

Пропуская ток 4-х режимов посредством соприкосновения игольчатых электродов с оголенными от диэлектрической оболочки участками, определяли время отклика, сопротивление и скорость проведения импульса. Пропуская ток посредством соприкосновения игольчатых электродов с целостными участками нити, вычисляли удельное сопротивление диэлектрической оболочки.Также проводились исследования на упругость, прочность при растяжении и сжатии.Passing a current of 4 modes by means of contact between the needle electrodes and the sections exposed from the dielectric shell, the response time, resistance, and pulse conduction velocity were determined. By passing current through the contact of the needle electrodes with integral sections of the filament, the dielectric sheath resistivity was calculated. Elasticity, tensile and compression strength tests were also carried out.

Измеренные характеристики искусственного нерва представлены в таблице 1.The measured characteristics of the artificial nerve are presented in table 1.

Пример 2.Example 2

Был изготовлен искусственный нерв длиной 25 см, толщиной (без учета диэлектрика) 2,5 мм. Искусственный нерв являлся аналогом хвостового нерва кошки.An artificial nerve was made 25 cm long and 2.5 mm thick (excluding dielectric). The artificial nerve was an analogue of the cat’s caudal nerve.

Вначале произвели смешивание полипиррола, полиазулена и вспенивателя при следующем соотношении компонентов, мас. %:Initially, polypyrrole, polyazulene and blowing agent were mixed in the following ratio of components, wt. %:

полипиррол 60polypyrrole 60

политиофен 33polythiophene 33

вспениватель 7.foaming agent 7.

В качестве вспенивателя использовали порофор n-толуолсульфонилсемикарбазид (PTSS). Полученную смесь постепенно нагревали до температуры 260°C, то есть до температуры, достаточной для разложения порофора, выдержали в течение 4-х минут - до завершения процесса сквозного порообразования, и остудили до температуры 150°C. Затем добавили в нее нановолокна поливинилиденфторида в количестве 9 мас. % и начали пропускать через фильеру диаметром 2,5 мм. После фильеры полученную нить охладили до температуры 60°C, подрезали до нужного размера и в течение 5 минут пропитывали нагретым до температуры 60°C раствором, содержащим 7 мас. % NaCl и 7 мас. % KCl. Затем нить обвили слоем диэлектрика, состоящим из полистирола и стирол-бутадиен-стирола, толщиной 20 мкм, остудили до комнатной температуры, на концы нанесли катионообменную мембрану марки МК-40, и поместили указанные концы в раствор, содержащий 7 мас. % NaCl и 7 мас. % KCl. С нерва частично сняли слой полистирола и стирол-бутадиен-стирола. Пропуская ток 4-х режимов посредством соприкосновения игольчатых электродов с оголенными от диэлектрической оболочки участками, определяли время отклика, сопротивление и скорость проведения импульса. Пропуская токпосредством соприкосновения игольчатых электродов с целостными участками нити, вычисляли удельное сопротивление диэлектрической оболочки. Как видно из полученных данных (таблица 1), нервы, полученные по примерам 1-2, обладают высокими значениями латентности, удельного сопротивления диэлектрической оболочки, скорости проведения импульса, а также приемлемыми механическими характеристиками, свидетельствующими о хорошей гибкости и исключающими быстрый износ.The blowing agent used was the porophore n-toluenesulfonylsemicarbazide (PTSS). The resulting mixture was gradually heated to a temperature of 260 ° C, that is, to a temperature sufficient to decompose the porophore, kept for 4 minutes - until the through pore formation process was completed, and cooled to a temperature of 150 ° C. Then polyvinylidene fluoride nanofibers were added to it in an amount of 9 wt. % and began to pass through a die with a diameter of 2.5 mm. After the die, the obtained thread was cooled to a temperature of 60 ° C, trimmed to the desired size and soaked in a solution containing 7 wt.% Heated to 60 ° C for 5 minutes. % NaCl and 7 wt. % KCl. Then the thread was wrapped around a dielectric layer consisting of polystyrene and styrene-butadiene-styrene, 20 μm thick, cooled to room temperature, a MK-40 brand cation exchange membrane was applied to the ends, and these ends were placed in a solution containing 7 wt. % NaCl and 7 wt. % KCl. A layer of polystyrene and styrene-butadiene-styrene was partially removed from the nerve. Passing a current of 4 modes by means of contact between the needle electrodes and the sections exposed from the dielectric shell, the response time, resistance, and pulse conduction velocity were determined. By passing current through the contact of the needle electrodes with integral sections of the filament, the resistivity of the dielectric sheath was calculated. As can be seen from the obtained data (table 1), the nerves obtained in examples 1-2 have high latency, specific resistance of the dielectric sheath, pulse conduction velocity, as well as acceptable mechanical characteristics, indicating good flexibility and eliminating rapid wear.

Вместе с тем полученные данные показывают, что латентность и скорость проведения импульса можно дополнительно увеличить, если включить в состав нерва поливинилиденфторид.At the same time, the data obtained show that the latency and speed of the pulse can be further increased if polyvinylidene fluoride is included in the nerve.

Примеры 3-7.Examples 3-7.

Было изготовлено 5 образцов цилиндрической формы размером 40×7 мм. Вначале при температуре плавления полиорганосилоксана произвели смешивание полиорганосилоксана, эпоксидной смолы и катализатора полимеризации. Полученную смесь загрузили в цилиндрическую форму, остудили до температуры 65°C, прошили ее насквозь вдоль оси цилиндра нитями интерметаллида, нитями эластомера, волокном из углеродных нанотрубок, нейлоновым и полиэтиленовым волокном, после чего полученную заготовку остудили до комнатной температуры и извлекли из формы. Прошивку производили либо прямой иглой, либо иглой, выполненной по спирали. Состав и характеристика образцов представлены в таблице 2.Five cylindrical samples 40 × 7 mm in size were made. First, at the melting point of the polyorganosiloxane, polyorganosiloxane, an epoxy resin and a polymerization catalyst were mixed. The resulting mixture was loaded into a cylindrical form, cooled to a temperature of 65 ° C, flashed through the cylinder axis with intermetallic filaments, elastomer filaments, carbon nanotube fiber, nylon and polyethylene fiber, and then the resulting preform was cooled to room temperature and removed from the mold. The firmware was made either with a straight needle or with a needle made in a spiral. The composition and characteristics of the samples are presented in table 2.

Образцы прошили насквозь 2-мя проводками токопроводящего полимера - политиофена, таким образом, что проводки имели площадь соприкосновения с каждой нитью интерметаллида, нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном и волокном из углеродных нанотрубок.The samples were pierced through with 2 wires of a conductive polymer - polythiophene, so that the wires had a contact area with each intermetallic filament, nylon and / or polyethylene fiber and carbon nanotube fiber.

Верхнюю часть образца со вставленными в него проводками закрепили в сдавливающем металлическом кольце, а провода из токопроводящего полимера подключили к источнику питания.The upper part of the sample with the wires inserted into it was fixed in a squeezing metal ring, and the wires from the conductive polymer were connected to a power source.

Через нижнюю часть образца продели капроновую нитку с подвешенной гирькой весом 250 г. A nylon string with a suspended weight of 250 g was passed through the bottom of the sample

Далее на образец начали подавать ток по следующему режиму: 1,5 секунды -подача тока, 1 секунда - пауза, при этом после третьего импульса замерялись время задержки сигнала (время отклика), скорость и степень сокращения искусственной мышцы. Первые два импульса не брались в расчет, поскольку интерметаллиды еще не "запомнили" движение-сокращение.Then, the current was started to be supplied to the sample in the following mode: 1.5 seconds — current supply, 1 second — pause, and after the third pulse, the signal delay time (response time), speed and degree of artificial muscle contraction were measured. The first two pulses were not taken into account, since the intermetallic compounds have not yet "remembered" the motion-contraction.

Сделав несколько замеров, образцы обдували теплым воздухом (около 50°C) в течение 10 секунд и в это время также измеряли скорость и степень сокращения искусственной мышцы.After making several measurements, the samples were blown with warm air (about 50 ° C) for 10 seconds and at this time the speed and degree of contraction of the artificial muscle were also measured.

Также измеряли эти параметры и при одновременной подаче тока и температурном нагреве.These parameters were also measured with simultaneous supply of current and temperature heating.

После этого образцам нанесли повреждения: в средней его части сделали прорезь, повредив нити и волокна. Затем 1-ый и 3-ий образцы оставили в покое, а на 2-ой, 4-ый и 5-ый начали подавать ток в третий раз по тому же режиму. Характеристика подаваемого тока, свойства и реакция искусственной мышцы на импульсы тока, температуру окружающей среды и повреждения приведены в таблице 3.After that, the samples were damaged: a cut was made in the middle part, damaging the threads and fibers. Then the 1st and 3rd samples were left alone, and on the 2nd, 4th and 5th, they started to supply current for the third time in the same mode. The characteristics of the supplied current, the properties and reaction of the artificial muscle to current pulses, ambient temperature and damage are shown in table 3.

Согласно полученным данным, бионическая мышца обладает незначительным временем отклика, она способна сокращаться под действием слабых электрических импульсов, причем степень бесконтрольного сокращения под действием температуры окружающей среды настолько мала, что ею можно пренебречь.According to the data obtained, the bionic muscle has an insignificant response time, it is able to contract under the influence of weak electric impulses, and the degree of uncontrolled contraction under the influence of the ambient temperature is so small that it can be neglected.

Также мышца обладает свойством самовосстановления в короткий промежуток времени, причем при подаче токового сигнала скорость и степень восстановления увеличиваются. На скорость ответной реакции мышцы на токовые импульсы влияют такие параметры, как частота тока, а также геометрия расположения интерметаллидных нитей и волокна: если их скрутить по спирали, и даже более того, если их скрутить по спирали друг вокруг друга, то скорость реакции мышцы увеличится.Also, the muscle has the property of self-healing in a short period of time, and when a current signal is applied, the speed and degree of recovery increase. Parameters such as the frequency of the current, as well as the geometry of the intermetallic filaments and fibers, affect the speed of the muscle’s response to current pulses: if they are twisted in a spiral, and even more so if they are twisted in a spiral around each other, then the reaction speed of the muscle will increase .

При наличии нитей эластомера все вышеописанные характеристики мышцы остаются примерно такими же, однако ее движения становятся более сглаженными.Как показали примеры 1-7, искусственный нерв обладает сниженным временем отклика и сопротивлением, а также достаточной упругостью и прочностью; искусственная мышца обладает малым временем отклика и возможностью быстрого сокращения под действием электрических импульсов, в частности с плотностью тока до 20 мА/см² (приблизительно соответствует плотности тока живых нервных импульсов), она практически не подвержена бесконтрольному сокращению под действием температуры окружающей среды и, кроме того, обладает свойством самовосстановления, обусловленным как природой интерметаллидов с памятью формы, так и наличием в ней эпоксидной смолы и катализатора полимеризации.In the presence of elastomer threads, all the above characteristics of the muscle remain approximately the same, but its movements become more smoothed. As examples 1-7 showed, the artificial nerve has a reduced response time and resistance, as well as sufficient elasticity and strength; an artificial muscle has a short response time and the ability to quickly contract under the influence of electrical impulses, in particular with a current density of up to 20 mA / cm ² (approximately corresponds to the current density of live nerve impulses), it is practically not subject to uncontrolled contraction under the influence of ambient temperature and, in addition to Moreover, it has the property of self-healing, due to both the nature of intermetallic compounds with shape memory and the presence of an epoxy resin and a polymerization catalyst in it.

Исходя из вышеизложенного следует, что и искусственный нерв и искусственная мышца могут позволить предложенной бионической конечности принимать электрические импульсы, идущие непосредственно от нерва, обеспечивать относительно высокую точность и пластичность движений, возможность осязать и чувствовать температуру, а также обеспечить малое время отклика исполнительных органов.Based on the foregoing, it follows that both the artificial nerve and the artificial muscle can allow the proposed bionic limb to receive electrical impulses coming directly from the nerve, provide relatively high accuracy and plasticity of movements, the ability to sense and feel the temperature, and also provide a short response time of the executive organs.

Пример 8.Example 8

Была изготовлена бионическая конечность (см. фиг. 1-3), представляющая собой указательный палец правой руки длиной 82 мм, диаметром основания 18 мм, диаметром средней части - 16 мм.A bionic limb was made (see Figs. 1-3), which is the index finger of the right hand 82 mm long, 18 mm in diameter, 16 mm in diameter of the middle part.

Искусственные нервы были изготовлены следующим образом.Artificial nerves were made as follows.

Вначале произвели смешивание полипиррола, полиазулена и вспенивателя приFirst, polypyrrole, polyazulene and a blowing agent were mixed with

следующем соотношении компонентов, мас. %:the following ratio of components, wt. %:

полипиррол 60polypyrrole 60

полиазулен 33polyazulene 33

вспениватель 7.foaming agent 7.

В качестве вспенивателя использовали азодикарбонамид в виде порофора ЧХ3-21.As a blowing agent, azodicarbonamide in the form of porphore CHX3-21 was used.

Полученную смесь постепенно нагревали до температуры 210°C, то есть до температуры разложения порофора, выдержали в течение 4-х минут - дозавершения процесса сквозного порообразования, и остудили до температуры 150°C, то есть до температуры, при которой не разлагаются в дальнейшем вводимые нановолокна. После этого в смесь добавили нановолокна поливинилиденфторида в количестве 5 мас. % и начали пропускать смесь через фильеру диаметром 1,2 мм, позволяющую создавать разветвленные нити. Полученную нить охладили до температуры 60°C, подрезали до нужного размера и в течение 5 минут пропитывали нагретым до температуры 60°C раствором, содержащим 7 мас. % NaCl и 5 мас.% KCl. Затем нить обвили слоем диэлектрика, состоящим из полистирола и стирол-бутадиен-стирола, толщиной 20 мкм, и остудили до комнатной температуры.The resulting mixture was gradually heated to a temperature of 210 ° C, that is, to the decomposition temperature of the porophore, kept for 4 minutes - completion of the through pore formation process, and cooled to a temperature of 150 ° C, that is, to a temperature at which further introduced nanofibres. After that, polyvinylidene fluoride nanofibers in the amount of 5 wt. % and began to pass the mixture through a die with a diameter of 1.2 mm, which allows you to create branched threads. The resulting thread was cooled to a temperature of 60 ° C, cut to the desired size and soaked in a solution heated to 60 ° C for 5 minutes containing 7 wt. % NaCl and 5 wt.% KCl. Then the thread was wrapped around a dielectric layer consisting of polystyrene and styrene-butadiene-styrene, 20 μm thick, and cooled to room temperature.

Таким методом были изготовлены аналоги ответвлений срединного и лучевого нервов, проходящие в указательном пальце, а именно: 2 ветви лучевого нерва длинной по 40 мм с 3-мя отходящими отростками длиной 3-4 мм на каждой ветви, 2 ветви срединного нерва длинной по 75 мм. Каждая искусственная ветвь срединного нерва имела 3 отходящих отростка длиной 3-4 мм и 1 отросток длиной 30 мм, отходящий примерно от середины ветви. Искусственный скелет был изготовлен следующим образом. Из антифрикционного сплава на основе алюминия AO9-2Б были отлиты 3 детали, повторяющие форму костей настоящего указательного пальца и шарнирно соединенные между собой, причем соединения были смазаны графитом. Расположенная с толстого конца деталь была выполнена с возможностью шарнирного соединения с пястной костью. Детали имели следующий размер:Using this method, analogues of the branches of the median and radial nerves passing in the index finger were made, namely: 2 branches of the radial nerve 40 mm long with 3 outgoing processes 3-4 mm long on each branch, 2 branches of the median nerve 75 mm long . Each artificial branch of the median nerve had 3 outgoing processes 3-4 mm long and 1 process 30 mm long, extending approximately from the middle of the branch. The artificial skeleton was made as follows. 3 parts were cast from an antifriction alloy based on aluminum AO9-2B, repeating the shape of the bones of the present index finger and pivotally connected to each other, and the joints were lubricated with graphite. Located from the thick end, the part was made with the possibility of articulation with the metacarpal bone. Items had the following size:

1-я: толщина в средней части 4 мм, длина 15 мм;1st: thickness in the middle part 4 mm, length 15 mm;

2-я: толщина в средней части 6 мм, длина 25 мм;2nd: thickness in the middle part 6 mm, length 25 mm;

3-я: толщина в средней части 6 мм, длина 40 мм.3rd: thickness in the middle part 6 mm, length 40 mm.

Было изготовлено 12 искусственных мышц цилиндрической формы: 4 - длиной 5 см, 4 - длиной 4 см, 4 - длиной 3,5 см. Вначале произвели плавление полиорганосилоксана и смешали его с эпоксидной смолой марки 601 и катализатором полимеризации - амидом натрия. Полученную смесь загрузили в цилиндрические формы, остудили до температуры 65°С, прошили каждуюзаготовку насквозь вдоль оси цилиндра 2-мя скрученными по спирали нитями интерметаллида Ni-Ti толщиной 0,15 мм, скрученной по спирали нитью интерметаллида Ni-Zr толщиной 0,12 мм, 2-мя прямыми нитями бутадиен-нитрильного каучука (эластомера) толщиной 0,5 мм, а также нейлоновым волокном в виде 3-х скрученных по спирали нитей толщиной 0,44 мм. Во время прошивания каждая нить и волокно частично обмазывались клеем на основе эпоксидной смолы УП-5-177-1.Twelve cylindrical artificial muscles were made: 4 — 5 cm long, 4 — 4 cm long, 4 — 3.5 cm long. First, polyorganosiloxane was melted and mixed with 601 grade epoxy resin and sodium amide polymerization catalyst. The resulting mixture was loaded into cylindrical forms, cooled to a temperature of 65 ° C, each preparation was stitched through the cylinder axis with 2 helically twisted 0.15 mm Ni-Ti intermetallic threads, and 0.12 mm thick Ni-Zr intermetallic twisted spiral , 2 straight strands of nitrile butadiene rubber (elastomer) with a thickness of 0.5 mm, as well as nylon fiber in the form of 3 helically twisted strands with a thickness of 0.44 mm. During flashing, each thread and fiber was partially coated with UP-5-177-1 epoxy resin adhesive.

Полученные заготовки остудили до комнатной температуры и извлекли из формы. В зависимости от вида, который следовало придать нити, прошивку производили либо прямой иглой, либо иглой, выполненной по спирали. Содержание эпоксидной смолы 601 в каждой изготовленной искусственной мышце составило 15 мас. %, амида натрия - 1,2 мас. %.The resulting blanks were cooled to room temperature and removed from the mold. Depending on the type that the thread should be attached, the firmware was made either with a straight needle or with a needle made in a spiral. The content of epoxy resin 601 in each manufactured artificial muscle was 15 wt. %, sodium amide - 1.2 wt. %

Искусственные мышцы приклеивались к деталям из сплава марки AO9-2Б посредством клея остеопласта, представляющего собой резорциновые эпоксидные смолы с органическими наполнителями (фибринный порошок, сухая плазма крови, костная мука, суперфосфат, фосфорная мука, индифферентные порошкообразные металлы), при этом они приклеивались симметрично - 6 мышц приклеивались с левой стороны, 6-с правой. Структура полученной бионической конечности поясняется чертежом (фигура 1), на котором изображена ее левая сторона, точно копирующая правую. Мышцы 4 и 7, соответственно, сверху и снизу одним концом приклеивались к дальнему от ладони концу детали 3. Мышцы 5 и 8, соответственно, сверху и снизу склеивали с дальним от ладони концом детали 2 и средней частью детали 3. Мышцы 6 и 9, соответственно, сверху и снизу склеивали со средней частью детали 1 и ближним к ладони концом детали 2. У нервов 10 и 12 частично сняли слой диэлектрика и произвели ими иннервацию мышц посредством вшивания металлической иглой таким образом, чтобы оголенные участки соприкасались с интерметаллидными нитями и нейлоновым волокном. Слой диэлектрика также был снят с концов малых отростков 11 и 13 нервов, с конца большого отростка 14 и с концов основных нервов. Большой отросток 14 аналога ветви срединного нерва был прошит через верхнюю мышцу 6.На концы нервов 10 и 12, предназначенные для соединения с ладонью, была нанесена катионообменная мембрана марки МК-40. Все остальные концы были спаяны с матрицей пьезоэлектриков, представляющую собой нити нановолокон поливинилиденфторида, вшитые в латексную оболочку, обтягивающую бионический палец. Спайку производили посредством тончайшей раскаленной стальной иглы.Artificial muscles were glued to parts made of an AO9-2B grade alloy using osteoplast glue, which is resorcinol epoxy resins with organic fillers (fibrin powder, dry blood plasma, bone meal, superphosphate, phosphor flour, indifferent powder metals), while they were glued symmetrically 6 muscles glued on the left side, 6 on the right. The structure of the resulting bionic limb is illustrated by the drawing (figure 1), which shows its left side, exactly copying the right. Muscles 4 and 7, respectively, were glued at the top and bottom with one end to the end of the part 3 farthest from the palm. Muscles 5 and 8, respectively, were glued at the top and bottom with the end of part 2 farthest from the palm and the middle part of part 3. Muscles 6 and 9, respectively, glued from above and below with the middle part of part 1 and the end of part 2 closest to the palm of the hand. Nerves 10 and 12 partially removed the dielectric layer and innervated the muscles by suturing with a metal needle so that the exposed areas were in contact with intermetallic threads and nylon fiber. The dielectric layer was also removed from the ends of the small processes of 11 and 13 nerves, from the end of the large process 14 and from the ends of the main nerves. A large process 14 of the analogue of the branch of the median nerve was stitched through the superior muscle 6. At the ends of nerves 10 and 12, intended to connect with the palm of the hand, a MK-40 cation exchange membrane was applied. All other ends were soldered with a matrix of piezoelectrics, which is a filament of polyvinylidene fluoride nanofibers sewn into a latex sheath that fits a bionic finger. The adhesion was carried out by means of the finest red-hot steel needle.

После того как на поверхность мышц была натянута латексная оболочка, конечность приготовили к установке пациенту, больше года назад целиком лишившегося указательного пальца правой руки из-за производственной травмы. Хирургу было предложено пришить бионический палец таким образом, как будто он являлся настоящим.After the latex sheath was stretched onto the muscle surface, the limb was prepared for installation by the patient, who had completely lost the index finger of his right hand more than a year ago due to an industrial injury. The surgeon was asked to sew the bionic finger as if it were real.

Для этого пациенту под местным наркозом активировали оборванные концы нервов и оголили сустав пястной кости. Шаровидную головку упомянутой кости поместили в шарнирное сочленение детали 3.For this, the patient under local anesthesia activated the dangling ends of the nerves and exposed the joint of the metacarpal bone. The spherical head of said bone was placed in the articulation of part 3.

Механическим способом сделали на концах искусственных нервов, покрытых катионообменной мембраной, углубление, поместили в это углубление активированные концы живого нерва таким образом, чтобы и волокно и оболочка последнего имели соприкосновение с электропроводящим полимером, но при этом чтобы поры полимера были полностью закрыты мембраной. Затем посредством наложения эпиневральных швов соединили четыре конца живых нервов с их искусственными аналогами. Свободные концы 4-х мышц 10 и 12 соединили с пястной костью клеем остеопластом. Кожные покровы были сшиты с латексной оболочкой конечности и приклеены латексным тканевым клеем (ЛТК).A recess was made mechanically at the ends of the artificial nerves coated with a cation exchange membrane, the activated ends of the living nerve were placed in this recess in such a way that both the fiber and the sheath of the nerve were in contact with the electrically conductive polymer, but the pores of the polymer were completely covered by the membrane. Then, through the application of epineural sutures, the four ends of the living nerves were connected with their artificial counterparts. The free ends of the 4 muscles 10 and 12 were connected to the metacarpal bone with glue osteoplast. The skin was sewn with a latex sheath of the limb and glued with latex tissue glue (LTK).

По истечении примерно часа после операции пациент уже мог совершать медленные движения в направлении, в котором хотел.After about an hour after the operation, the patient could already make slow movements in the direction in which he wanted.

По истечении нескольких часов он мог совершать пластичные и точные сгибательные и разгибательные движения, движения в сторону, а также регулировать скорость и усилие движений, при этом он мог чувствовать соприкосновение и тепло, охарактеризовав свои ощущения: "как-то необычно, но чувствую". Возможность совершать разнообразные движения говорит о том,что искусственные мышцы имеют высокую восприимчивость к силе и частоте нервных импульсов.After several hours, he could make plastic and precise flexion and extension movements, movements to the side, as well as regulate the speed and effort of movements, while he could feel contact and warmth, characterizing his sensations: “somehow unusual, but I feel.” The ability to perform various movements suggests that artificial muscles have a high susceptibility to the strength and frequency of nerve impulses.

По истечении нескольких дней можно было сделать заключение о том, что палец практически прижился.After a few days, it was possible to conclude that the finger practically took root.

Был проведен опыт на время отклика протеза. По хлопку, предварительно расслабив бионический палец (как показано на фиг. 2), пациент должен был сделать им максимально резкое разгибание (как показано на фиг. 3). Было произведено 3 замера - время отклика составило: 590, 489 и 512 мс. Это значительно меньше, чем у любого из существующих протезов-аналогов, однако несколько дольше реакции живого пальца. С учетом того, что после операции прошло мало времени, углы разогнутой конечности α′, β′, γ′, изображенные на фиг. 3, являются допустимыми.An experiment was conducted on the response time of the prosthesis. By cotton, having previously relaxed the bionic finger (as shown in Fig. 2), the patient had to make it as sharp as possible extension (as shown in Fig. 3). 3 measurements were made - the response time was: 590, 489 and 512 ms. This is significantly less than any of the existing prosthetic analogues, however, it is slightly longer than the reaction of a living finger. Considering that little time has passed after the operation, the angles of the extended limb α ′, β ′, γ ′ shown in FIG. 3 are valid.

Как показали испытания еще невживленных искусственных нервов, осуществляемые посредством игольчатых электродов, их время отклика при силе тока 10-20 мА и его частоте 50-80 Гц может составлять около 2 мс. Время отклика мышц составляет около 80 мс. Таким образом, практическое время отклика конечности сильно отличалось от теоретического. Однако стоит учитывать, что определенное время отклика представляет собой время отклика не только конечности, но всего пациента в целом. Несмотря на это, свойства протеза, такие как "память" интерметаллидов и возможность тканей живых нервов срастаться с биосовместимыми тканями искусственных нервов, способствуют тому, что при разработке и тренировке пациентом конечности она сможет быстрее реагировать на импульсы мозга, двигаться с большей амплитудой и лучше чувствовать соприкосновение, то есть для предложенного бионического аналога существует возможность развития, аналогичная возможности развития живых конечностей.As shown by tests of still unplanted artificial nerves, carried out by means of needle electrodes, their response time with a current strength of 10-20 mA and its frequency of 50-80 Hz can be about 2 ms. Muscle response time is about 80 ms. Thus, the practical response time of the limb was very different from the theoretical. However, it should be borne in mind that a certain response time is the response time not only of the limb, but of the patient as a whole. Despite this, the properties of the prosthesis, such as the “memory” of intermetallic compounds and the ability of living nerve tissues to grow together with biocompatible tissues of artificial nerves, make it possible for a patient to develop and train her limbs to respond faster to brain impulses, move with a greater amplitude and feel better contact, that is, for the proposed bionic analogue, there is the possibility of development, similar to the possibility of development of living limbs.

Как показал опыт, установка предложенного протеза не требует больших трудозатрат, как в случае протеза-прототипа, на установку которого может уйти много часов, что связано с необходимостью подключения множества дорогих сенсоров, требующих подпитки от источника питания, в различные части мышц и нервов.Кроме того, стоит отметить относительно низкую себестоимость предложенной конечности. Стоимость одного из интерметаллидов с памятью формы, например, нитинола, составляет примерно 11500 рублей за килограмм. На изготовление пальца понадобилось 24 проводка толщиной 0,015 см и общей длиной 100 см. Их объем составил V=100*((0,015/2)²*π)=0,018 см³. Масса составила m=ρ*V=6,4*0,018=0,115 г. Стоимость такого количества нитинола составляет 1 руб. 32 коп.Experience has shown that installing the proposed prosthesis does not require much labor, as in the case of a prototype prosthesis, which can take many hours to install, due to the need to connect many expensive sensors that need recharge from a power source to various parts of the muscles and nerves. Moreover, it is worth noting the relatively low cost of the proposed limb. The cost of one of the intermetallic compounds with shape memory, for example, nitinol, is approximately 11,500 rubles per kilogram. To produce the finger, 24 wires with a thickness of 0.015 cm and a total length of 100 cm were required. Their volume was V = 100 * ((0.015 / 2) ² * π) = 0.018 cm ³ . The mass was m = ρ * V = 6.4 * 0.018 = 0.115 g. The cost of such an amount of nitinol is 1 rub. 32 kopecks

Изготовление конечности может оказаться трудоемким и сложным только в случае ручного изготовления на заказ, однако эту проблему можно решить, применяя серийное производство. Различные протезы можно выпускать стандартных размеров: в таком случае они будут недорогими и универсальными. Помимо медицины изобретение может найти применение в различных отраслях машиностроения и робототехники, в частности в производстве манипуляторов.Making a limb can be time-consuming and complicated only in the case of manual manufacturing to order, however, this problem can be solved using serial production. Various prostheses can be produced in standard sizes: in this case they will be inexpensive and versatile. In addition to medicine, the invention can find application in various branches of mechanical engineering and robotics, in particular in the production of manipulators.

Claims

1. The bionic limb, consisting of elements that transmit the incoming signal to the executive organs, and the executive organs, characterized in that it contains an artificial skeleton, which is a bone-shaped product, articulated between each other, as well as connected by executive bodies attached to them, in which are artificial muscles, which are a medium of at least one polyorganosiloxane stitched with one or more threads of at least one intermetallic with shape memory and nylon and / or polyethylene fiber, the elements that transmit the incoming signal are artificial nerves of at least two types selected from the group: sensory, motor and mixed, and artificial nerves are a medium of at least one organic electrically conductive polymer, mentioned the medium has through porosity with pores filled with a solution of sodium and potassium ions, and is entwined with at least one layer of a polymer dielectric, motor and / or mixed artificial n the nerves at one end, either in a hollow state or in a branched one, are sewn into the artificial muscles in such a way that the parts of the artificial nerves exposed from the polymer dielectric are in contact with the intermetallic filaments and nylon and / or polyethylene fiber, the sensitive and / or mixed artificial nerves are attached at one end to a matrix of piezoelectrics, on the other ends of all artificial nerves, a cation exchange membrane is applied, which passes alkali metal ions.

2. The limb according to claim 1, characterized in that the parts of the artificial nerves that are exposed from the polymer dielectric are woven with intermetallic filaments and nylon and / or polyethylene fiber.

3. The limb according to claim 1, characterized in that the artificial skeleton is made of an antifriction alloy based on aluminum or an alloy with a high graphite content.

4. The limb according to claim 1, characterized in that it further comprises a shell, which is artificial leather, which is a layer of latex with embedded piezoelectric matrices.

5. The limb according to claim 4, characterized in that the latex layer further comprises at least one polymerization catalyst.

6. The limb according to claim 1, characterized in that the artificial muscles are a medium of at least one polyorganosiloxane and additionally introduced at least one epoxy resin and at least one polymerization catalyst.

7. The limb according to claim 1, characterized in that the artificial nerves further comprise polyvinylidene fluoride nanofibres.

8. The limb according to claim 1, characterized in that the piezoelectric matrix is a matrix of polyvinylidene fluoride nanofibres.

9. A method of manufacturing a bionic limb according to claim 1, characterized in that the artificial nerves are prepared by mixing a blowing agent and at least one organic electrically conductive polymer, the resulting mixture is heated to the decomposition temperature of the blowing agent, kept until completion of the formation of through pores, cooled and passed through die, impregnated the obtained thread with a solution of Na ⁺ and K ⁺ ions, entwine it with at least one layer of a polymer dielectric and apply a cation exchange membrane to one end y, which allows alkali metal ions to pass through, artificial muscles are prepared by flashing medium from at least one polyorganosiloxane with one or more threads of at least one intermetallic compound with shape memory, as well as nylon and / or polyethylene fiber, then artificial nerves of at least two types are sutured selected from the group: sensory, motor and mixed, into artificial muscles in such a way that sections of motor and / or mixed artificial nerves are exposed from the polymer dielectric touched with intermetallic filaments and nylon and / or polyethylene fiber, the ends of sensitive and / or mixed artificial nerves without a cation-exchange membrane passing through alkali metal ions are connected to a piezoelectric matrix, while the artificial muscles are connected to an artificial skeleton.

10. The method according to claim 9, characterized in that when preparing the artificial muscles, the polyorganosiloxane is first melted and mixed with at least one epoxy resin and at least one polymerization catalyst, followed by cooling of the resulting mixture.