RU2563815C1 - Искусственная мышца - Google Patents
Искусственная мышца Download PDFInfo
- Publication number
- RU2563815C1 RU2563815C1 RU2014119273/15A RU2014119273A RU2563815C1 RU 2563815 C1 RU2563815 C1 RU 2563815C1 RU 2014119273/15 A RU2014119273/15 A RU 2014119273/15A RU 2014119273 A RU2014119273 A RU 2014119273A RU 2563815 C1 RU2563815 C1 RU 2563815C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- artificial muscle
- nylon
- muscle
- intermetallic
- shape memory
- Prior art date
Links
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 title claims abstract description 78
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 39
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 25
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims abstract description 24
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 23
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 12
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims description 7
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 7
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 229910018643 Mn—Si Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 239000002685 polymerization catalyst Substances 0.000 claims description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 229910003126 Zr–Ni Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PNPBGYBHLCEVMK-UHFFFAOYSA-N benzylidene(dichloro)ruthenium;tricyclohexylphosphanium Chemical compound Cl[Ru](Cl)=CC1=CC=CC=C1.C1CCCCC1[PH+](C1CCCCC1)C1CCCCC1.C1CCCCC1[PH+](C1CCCCC1)C1CCCCC1 PNPBGYBHLCEVMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011984 grubbs catalyst Substances 0.000 claims description 3
- KHYBPSFKEHXSLX-UHFFFAOYSA-N iminotitanium Chemical compound [Ti]=N KHYBPSFKEHXSLX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910004337 Ti-Ni Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910011209 Ti—Ni Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 abstract description 15
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 5
- 229910001000 nickel titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 3
- 210000001087 myotubule Anatomy 0.000 description 3
- HLXZNVUGXRDIFK-UHFFFAOYSA-N nickel titanium Chemical compound [Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ti].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni] HLXZNVUGXRDIFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 description 3
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical group [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000004118 muscle contraction Effects 0.000 description 2
- 150000002815 nickel Chemical group 0.000 description 2
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004342 Benzoyl peroxide Substances 0.000 description 1
- OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N Benzoylperoxide Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(=O)OOC(=O)C1=CC=CC=C1 OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017535 Cu-Al-Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017566 Cu-Mn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017773 Cu-Zn-Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017767 Cu—Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017871 Cu—Mn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003310 Ni-Al Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004830 Super Glue Substances 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 235000019400 benzoyl peroxide Nutrition 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- FGBJXOREULPLGL-UHFFFAOYSA-N ethyl cyanoacrylate Chemical compound CCOC(=O)C(=C)C#N FGBJXOREULPLGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 231100000171 higher toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 210000004126 nerve fiber Anatomy 0.000 description 1
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 238000009958 sewing Methods 0.000 description 1
- 239000012781 shape memory material Substances 0.000 description 1
- 210000002460 smooth muscle Anatomy 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области бионического протезирования, а именно к искусственным мышцам, представляющим собой композиционные материалы, подверженные воздействию слабых электрических импульсов. Искусственная мышца содержит нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно, при этом она представляет собой среду из, по меньшей мере, одного полиорганосилоксана, по меньшей мере, одной эпоксидной смолы и, по меньшей мере, одного катализатора полимеризации эпоксидной смолы. Мышца прошита одной или более нитями, по крайней мере, одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном. Технический результат заключается в обеспечении малого времени отклика и возможности быстрого сокращения под действием электрических импульсов, в частности с плотностью тока до 20 мА/см2, в исключении возможности бесконтрольного сокращения под действием температуры окружающей среды и в придании искусственной мышце свойства самовосстановления. 10 з.п. ф-лы, 2 табл.
Description
Искусственная мышца
Изобретение относится к области бионического протезирования, а именно к искусственным мышцам, представляющим собой композиционные материалы, способные сокращаться под воздействием слабых электрических импульсов. Искусственная мышца может быть использована в медицине как составная часть бионических конечностей или же как самостоятельный имплантат, а также в робототехнике при производстве высокоточных манипуляторов.
Широко известна проблема создания материалов, по химическому сродству и механическим свойствам близких к живому мышечному волокну, посредством которого происходит движение в теле человека или животного. На данный момент разработано несколько видов искусственных мышц, однако на пути использования каждого из них возникает ряд проблем, касающихся стоимости материалов и ограниченности использования.
Известна гидравлическая искусственная мышца, включающая первый соединитель с закрытым концом, эластичную резиновую трубку, сплетенные нити высокопрочного волокна, обвитые вокруг упомянутой трубки, второй соединитель с закрытым концом, через который в трубку поступает вода, два кольцеобразных зажима, расположенных по краям мышцы, два кольцеобразных зажима, расположенных в средней части мышцы, и два крепежных элемента в форме конуса, обращенного внутрь мышцы (CN 103395072 A, A61F 2/50, 20.11.2013). Описанная мышца имеет очень ограниченную применимость: ее использование возможно только в робототехнике, основанной на гидравлических системах.
Известна искусственная мышечная ткань, представляющая собой углеродные нанотрубки, пропитанные воском и скрученные по спирали (журнал Sciense, том 338, страницы 928-932, 16.11.2012).
Описанная искусственная мышечная ткань способна поднять вес, превосходящий ее собственный в сто тысяч раз, однако она имеет очень высокую стоимость и при этом отличается повышенной чувствительностью к факторам окружающей среды: перепады температуры или микротоки способны привести к ее непроизвольному сокращению.
Наиболее близким аналогом заявленной искусственной мышцы является нейлоновое или полиэтиленовое волокно, скрученное по спирали (http://nauka21vek.ru/archives/56843, 26.02.2014).
Преимущества данного волокна заключаются в его способности быстро сокращаться при нагревах, а также его низкой стоимости, однако вместе с этим оно имеет ряд недостатков. Наравне с его восприимчивостью к нагревам оно не способно полноценно сокращаться под воздействием слабых электрических импульсов, таких как нервные. В связи с этим для создания протезов конечностей возникает необходимость применять усилители и преобразователи электрического сигнала в тепловой, что, в свою очередь, требует использования источников питания (батареек, аккумуляторов). Повышенная чувствительность волокна к температуре окружающей среды может привести к непроизвольному сокращению мышц и, соответственно, движению искусственной конечности. В связи с этим возникает необходимость использовать теплоизоляторы. Вышеперечисленные условия усложняют конструкцию и себестоимость протеза, а также создают неудобства в использовании.
Задачей предложенного изобретения является создание безвредной и недорогой искусственной мышцы, способной воспринимать нервные импульсы или импульсы, аналогичные им.
Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение малого времени отклика и возможности быстрого сокращения под действием электрических импульсов, в частности, с плотностью тока до 20 мА/см2, исключение возможности бесконтрольного сокращения под действием температуры окружающей среды и придание искусственной мышце свойства самовосстановления.
Технический результат достигается за счет того, что предложена искусственная мышца, содержащая нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно, при этом она представляет собой среду из по меньшей мере одного полиорганосилоксана, по меньшей мере одной эпоксидной смолы и по меньшей мере одного катализатора полимеризации эпоксидной смолы, причем мышца прошита одной или более нитями по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном.
Интерметаллид с памятью формы может быть выбран из группы: Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si и сплав Гейслера. Эффект памяти формы у перечисленных интерметаллидов является наиболее выраженным. Кроме того, Fe-Mn-Si является наиболее дешевым, Ti-Ni - наиболее распространенным и изученным, Zr-Ni имеет высокую ответную реакцию на электрические импульсы.
Для дополнительного упрочнения, придания мышце сглаженных и более прямолинейных движений она может быть дополнительно прошита нитями эластомера.
Для увеличения амплитуды сокращения искусственной мышцы под действием электрического импульса желательно, чтобы нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно было скручено по спирали.
Для увеличения реакции мышцы на импульс тока и придания точности движения желательно, чтобы одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы были скручены по спирали.
Для дополнительного увеличения скорости сокращения искусственной мышцы, более плавного начала и конца ее сокращения под действием электрического импульса, а также для снижения внутреннего трения желательно, чтобы одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы были скручены с нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном по спирали вокруг друг друга.
Для повышения сцепления одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно могут быть соединены со средой из по меньшей мере одного полиорганосилоксана посредством склеивания или высокотемпературного нагрева с последующим охлаждением.
В качестве катализатора полимеризации эпоксидной смолы можно использовать катализатор Граббса, который является наиболее доступным и распространенным.
Для дополнительного упрочнения, увеличения скорости сокращения под действием тока и улучшения восприимчивости к слабым токовым импульсам искусственная мышца может быть дополнительно прошита волокном углеродных нанотрубок.
В случае соприкосновения нескольких искусственных мышц для уменьшения трения между ними желательно, чтобы на поверхность искусственной мышцы был нанесен слой из полиметилсилоксана.
Для того чтобы сократить стоимость искусственной мышцы при сохранении высокой прочности и скорости реагирования на электрические импульсы, она может иметь следующее содержание компонентов, мас. %:
| по меньшей мере одна эпоксидная смола | 3-12 |
| по меньшей мере один катализатор | |
| полимеризации эпоксидной смолы | 0,01-7 |
| одна или более нитей по крайней мере | |
| одного интерметаллида с памятью формы | 9-17 |
| нити эластомера | 8-21 |
| нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно | 12-23 |
| полиорганосилоксан | остальное |
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 по консистенции они близки к биологическим тканям, например натуральным мышцам.
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.
Было установлено, что подобным свойством могут обладать некоторые другие интерметаллиды на основе никеля, в которых второй компонент в чистом виде имеет гексагональную плотно упакованную или кубическую объемно-центрированную решетку. К таким интерметаллидам относятся Ni-Zr и Ni-V. Использование последнего в медицинских целях исключается ввиду повышенной токсичности ванадия и его соединений, однако его применение возможно в робототехнике при создании манипуляторов.
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 K 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 имеющего следующую 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.
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. Очевидно, что для восприятия малых нервных импульсов толщина нитей должна быть небольшой - порядка 0,02-0,5 мм. Для восприятия сильных импульсов толщина может составлять несколько миллиметров и более того.
Вместе с тем использование подобного интерметаллида без среды, которая играет роль теплоизолятора и электроизолятора (в данном случае полиорганосилоксан), приводит к чувствительности интерметаллида к температуре окружающей среды и таким образом его движение становится неконтролируемым.
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. Ввиду 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.
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.
Наличие в составе искусственной мышцы эпоксидной смолы наравне с катализатором ее 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 нейлоновое волокно способно сокращаться лишь на 4/100, полиэтиленовое - на 3/1000. Однако в случае скручивания данных 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 выше значения близки к способности сокращения натуральных мышечных волокон и могут позволить их аналогу поднимать груз большой массы.
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 ввиду 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 вокруг друг 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 ввиду своей высокой электропроводности откликается на токовый импульс быстрее), их переплетение приведет к их синхронному движению, что сократит трение внутри материала и, соответственно, уменьшит его износ.
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.
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 с последующим охлаждением. В случае последнего полиорганосилоксан вначале размягчается, 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 прочность и амплитуду сокращения мышцы, однако стоимость последней в таком случае увеличится.
Также учитывая хоть и менее, но все равно довольно высокую стоимость интерметаллидов, в особенности Ni-Ti, для удешевления искусственной мышцы при незначительной потере прочности и скорости реагирования на электрические импульсы лучше использовать мышцу следующего состава, мас. %:
| по меньшей мере одна эпоксидная смола | 3-12 |
| по меньшей мере один катализатор | |
| полимеризации эпоксидной смолы | 0,01-7 |
| одна или более нитей по крайней мере одного | |
| интерметаллида с памятью формы | 9-17 |
| нити эластомера | 8-21 |
| нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно | 12-23 |
| полиорганосилоксан | остальное |
Предложенная искусственная мышца может использоваться как составная часть бионических конечностей, так и служить в качестве самостоятельного имплантата, заменяющего живую мышцу. В последнем случае концы искусственных мышц можно соединять с костью посредством медицинских клеев, таких как цианоакрилатный клей, остеопласт и прочие.
В тех случаях, когда необходимо заменить лишь отдельный участок живой мышцы, ее искусственный аналог можно также склеивать с поврежденной живой мышцей, однако в такой ситуации велика вероятность ее неприживления. Такие факторы, как сокращение, тканевое дыхание мышечных волокон, постоянный обмен веществ и прочие химические процессы могут послужить причиной отторжения имплантата. В виду изложенного во время имплантации предложенную искусственную мышцу рекомендуется склеивать с костной, нежели с мышечной тканью. Таким образом, поврежденную живую мышцу можно полностью заменить искусственной, однако восстановить отдельный ее участок с помощью искусственного аналога на данном этапе весьма проблематично.
Примеры
Было изготовлено 5 образцов цилиндрической формы размером 40×7 мм. Вначале произвели смешивание полиорганосилоксана, эпоксидной смолы и катализатора ее полимеризации, причем смешивание проводили в две стадии. На первой стадии при температуре его плавления в полиорганосилоксан, аккуратно помешивая его по часовой стрелке, добавили небольшое количество отвердителя полиорганосилоксана - перекись бензоила. Вслед за этим после небольшого загущения в него ввели эпоксидную смолу. Когда по мере остывания и действия отвердителя смесь стала еще более густой, продолжая ее аккуратно помешивать по часовой стрелке, на второй стадии в нее ввели катализатор полимеризации эпоксидной смолы.
Равномерное помешивание в одном направлении постепенно загущающегося полиорганосилоксана и поочередное введение эпоксидной смолы (при менее густой консистенции среды) и катализатора ее полимеризации (при более густой консистенции среды) привели к тому, что данные компоненты постепенно застыли в массе полиорганосилоксана, имея фазовое разделение между собой и в большей степени не прореагировав. При этом, поскольку смола была введена при менее густой консистенции среды, ее распространение в искусственной мышце является более обширным в отличие от катализатора полимеризации.
Практически застывшую 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, в процессе чего произошло ее доотверждение и прочная фиксация нитей в среде, и извлекли из формы. Прошивку производили либо прямой иглой, либо иглой, выполненной по спирали. Состав и характеристика образцов представлены в таблице 1.
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.
Верхнюю часть образца со вставленными в него проводками закрепили в сдавливающем металлическом кольце, а провода из токопроводящего полимера подключили к источнику питания.
Через нижнюю часть образца продели капроновую нитку с подвешенной гирькой весом 250 г.
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.
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.
Также измеряли эти параметры и при одновременной подаче тока и температурном нагреве.
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 реакции искусственной мышцы на импульсы тока, температуру окружающей среды и повреждения приведены в таблице 2.
Согласно полученным данным предложенная 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.
Также предложенная 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 вокруг друг друга, то скорость реакции мышцы увеличится.
При наличии нитей эластомера все вышеописанные характеристики мышцы остаются примерно такими же, однако ее движения становятся более сглаженными.
Волокно из углеродных нанотрубок имеет незначительное влияние на скорость отклика, прочность и степень сокращения. Следовательно, его наличие не является обязательным и его можно вводить в мышцу, ориентируясь на стоимость.
С учетом того что предложенная искусственная мышца способна обеспечить достижение заявленного технического результата, можно судить о том, что вопросы со стороны миологии, касающиеся имплантации, были решены. В то же время остается вопрос со стороны неврологии, а именно касающийся подвода к мышцам токового сигнала от нерва (в том числе посредством искусственного нерва).
Поскольку почти все химические вещества, входящие в состав предложенной искусственной мышцы, являются недорогими, а самый ценный компонент - нитинол не требует большого расходования, заявленное изобретение из-за относительно невысокой стоимости также может широко применяться в робототехнике и машиностроении, например, при производстве высокоточных манипуляторов.
Claims (11)
1. Искусственная мышца, содержащая нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно, отличающаяся тем, что она представляет собой среду из по меньшей мере одного полиорганосилоксана, по меньшей мере одной эпоксидной смолы и по меньшей мере одного катализатора полимеризации эпоксидной смолы, причем мышца прошита одной или более нитями по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном.
2. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что интерметаллид с памятью формы выбран из группы: Ti-Ni, Zr-Ni, Fe-Mn-Si и сплав Гейслера.
3. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно прошита нитями эластомера.
4. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно скручено по спирали.
5. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы скручены по спирали.
6. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы скручены с нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном по спирали вокруг друг друга.
7. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что одна или более нитей по крайней мере одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно соединены со средой из по меньшей мере одного полиорганосилоксана посредством склеивания или высокотемпературного нагрева с последующим охлаждением.
8. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве катализатора полимеризации эпоксидной смолы используют катализатор Граббса.
9. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно прошита волокном углеродных нанотрубок.
10. Искусственная мышца по п. 1, отличающаяся тем, что на ее поверхность нанесен слой из полиметилсилоксана.
11. Искусственная мышца по п. 3, отличающаяся тем, что она имеет следующее содержание компонентов, мас. %:
по меньшей мере одна эпоксидная смола 3-12
по меньшей мере один катализатор
полимеризации эпоксидной смолы 0,01-7
одна или более нитей по крайней мере
одного интерметаллида с памятью формы 9-17
нити эластомера 8-21
нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно 12-23
полиорганосилоксан остальное
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014119273/15A RU2563815C1 (ru) | 2014-05-14 | 2014-05-14 | Искусственная мышца |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014119273/15A RU2563815C1 (ru) | 2014-05-14 | 2014-05-14 | Искусственная мышца |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2563815C1 true RU2563815C1 (ru) | 2015-09-20 |
Family
ID=54147972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014119273/15A RU2563815C1 (ru) | 2014-05-14 | 2014-05-14 | Искусственная мышца |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2563815C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2653800C1 (ru) * | 2017-06-07 | 2018-05-14 | Дмитрий Андреевич Журавлёв | Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами |
| RU2675062C1 (ru) * | 2017-12-26 | 2018-12-14 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Искусственная мышца для сердечной ткани |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5092901A (en) * | 1990-06-06 | 1992-03-03 | The Royal Institution For The Advancement Of Learning (Mcgill University) | Shape memory alloy fibers having rapid twitch response |
| US6379393B1 (en) * | 1998-09-14 | 2002-04-30 | Rutgers, The State University Of New Jersey | Prosthetic, orthotic, and other rehabilitative robotic assistive devices actuated by smart materials |
| US20030060569A1 (en) * | 2001-02-13 | 2003-03-27 | White Scott R. | Multifunctional autonomically healing composite material |
| WO2004035644A2 (en) * | 2002-07-10 | 2004-04-29 | The Regents Of The University Of California | Self-healing organosiloxane materials containing reversible and energy-dispersive crosslinking domains |
| US7612152B2 (en) * | 2005-05-06 | 2009-11-03 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Self-healing polymers |
| RU2372056C1 (ru) * | 2008-02-04 | 2009-11-10 | Василий Михайлович КУЗЬМИНЫХ | Искусственная мышца (варианты) |
| WO2014022667A2 (en) * | 2012-08-01 | 2014-02-06 | The Board Of Regents, The University Of Texas System | Coiled and non-coiled twisted nanofiber yarn and polymer fiber torsional and tensile actuators |
-
2014
- 2014-05-14 RU RU2014119273/15A patent/RU2563815C1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5092901A (en) * | 1990-06-06 | 1992-03-03 | The Royal Institution For The Advancement Of Learning (Mcgill University) | Shape memory alloy fibers having rapid twitch response |
| US6379393B1 (en) * | 1998-09-14 | 2002-04-30 | Rutgers, The State University Of New Jersey | Prosthetic, orthotic, and other rehabilitative robotic assistive devices actuated by smart materials |
| US20030060569A1 (en) * | 2001-02-13 | 2003-03-27 | White Scott R. | Multifunctional autonomically healing composite material |
| WO2004035644A2 (en) * | 2002-07-10 | 2004-04-29 | The Regents Of The University Of California | Self-healing organosiloxane materials containing reversible and energy-dispersive crosslinking domains |
| US7612152B2 (en) * | 2005-05-06 | 2009-11-03 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Self-healing polymers |
| RU2372056C1 (ru) * | 2008-02-04 | 2009-11-10 | Василий Михайлович КУЗЬМИНЫХ | Искусственная мышца (варианты) |
| WO2014022667A2 (en) * | 2012-08-01 | 2014-02-06 | The Board Of Regents, The University Of Texas System | Coiled and non-coiled twisted nanofiber yarn and polymer fiber torsional and tensile actuators |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| "Новая технология создания искусственных мышц", Февраль 26th, 2014,[on-line] [Найден 19.02.2015] найдено в Интернет на <URL: http://http://nauka21vek.ru/archives/56843>. * |
| ЗЕФИРОВ Н.С., Химическая энциклопедия, Москва, 1999, Том 5, стр.962 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2653800C1 (ru) * | 2017-06-07 | 2018-05-14 | Дмитрий Андреевич Журавлёв | Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами |
| RU2675062C1 (ru) * | 2017-12-26 | 2018-12-14 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Искусственная мышца для сердечной ткани |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dong et al. | In vivo cardiac power generation enabled by an integrated helical piezoelectric pacemaker lead | |
| Park | Biomaterials science and engineering | |
| EP2114473B1 (en) | Tendon or ligament bioprostheses and methods of making same | |
| Nerem | Role of mechanics in vascular tissue engineering | |
| JP2009519114A (ja) | 自己感覚性ステント、スマート材料利用のステント、薬剤伝達システム、その他の医療用器具および圧電性材料の医療への利用 | |
| Pfenniger et al. | Design and realization of an energy harvester using pulsating arterial pressure | |
| RU2563815C1 (ru) | Искусственная мышца | |
| CN110584842A (zh) | 可延长假体 | |
| Lagoudas et al. | Applications of shape memory alloys to bioengineering and biomedical technology | |
| EP3383995A1 (en) | A system and method for determining a force applied to or generated by a cell or tissue culture | |
| Tholl et al. | An intracardiac flow based electromagnetic energy harvesting mechanism for cardiac pacing | |
| CN107106747B (zh) | 用于锚定到肌肉组织的装置、系统和方法 | |
| Meghezi et al. | Collagen hydrogel-based scaffolds for vascular tissue regeneration: mechanical and viscoelastic characterization | |
| RU173457U1 (ru) | Биологический артериальный протез малого диаметра с наружным усилением | |
| Biobaku-Mutingwende | Introduction to Biomaterials | |
| CN217244960U (zh) | 一种用于二尖瓣修复的弹性人工腱索 | |
| JP7031980B2 (ja) | コラーゲン－チタン複合体 | |
| CN107296980B (zh) | 一种pfb水响应形状记忆组织工程支架及其制备方法 | |
| Zapata et al. | Biomechanical configurations of mandibular transport distraction osteogenesis devices | |
| Tubaldi et al. | Dynamic behaviour of a Dacron aortic graft | |
| Perez-Guagnelli et al. | Evaluation of a soft helical actuator performance with hard and soft attachments for tissue regeneration | |
| Sakata et al. | Preliminary Study on Interactive Control for the Artificial Myocardium by Shape Memory Alloy Fibre | |
| Więckiewicz et al. | Investigation of tensile strength of three new soft silicone elastomers and comparison with results of previously tested material | |
| CN105477680A (zh) | 一种在体人工血管的制备方法 | |
| Palma et al. | Pulsatile stent graft: a new alternative in chronic ventricular assistance |