RU2653800C1 - Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами - Google Patents
Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2653800C1 RU2653800C1 RU2017119911A RU2017119911A RU2653800C1 RU 2653800 C1 RU2653800 C1 RU 2653800C1 RU 2017119911 A RU2017119911 A RU 2017119911A RU 2017119911 A RU2017119911 A RU 2017119911A RU 2653800 C1 RU2653800 C1 RU 2653800C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- artificial
- nerve
- nerves
- muscles
- electrically conductive
- Prior art date
Links
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 title claims abstract description 36
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 title claims abstract description 19
- 238000010276 construction Methods 0.000 title description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims abstract description 13
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims abstract description 11
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 abstract description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 abstract description 5
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000011734 sodium Substances 0.000 abstract description 5
- 230000008602 contraction Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 210000003050 axon Anatomy 0.000 abstract description 2
- 235000001968 nicotinic acid Nutrition 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 abstract 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 6
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 206010061533 Myotonia Diseases 0.000 description 1
- 208000010316 Myotonia congenita Diseases 0.000 description 1
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 208000031375 autosomal dominant myotonia congenita Diseases 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000004118 muscle contraction Effects 0.000 description 1
- 210000004126 nerve fiber Anatomy 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 229920001197 polyacetylene Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 230000018405 transmission of nerve impulse Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области медицины, бионики. Предложена конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами, в которой оголенные от полимерного диэлектрика части искусственных нервов соединены с нитями интерметаллидов, при этом в электропроводящий полимер искусственного нерва встроен термоэлектрический преобразователь по схеме последовательного соединения, который соединен с нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном. Изобретение обеспечивает увеличение скорости сокращения искусственной мышцы и ее расслабления при прекращении нервного импульса за счет остаточного тока, обусловленного током заряжения двойных электрических слоев, образующихся на мембране аксона живого нерва или на границе раствора ионов натрия и калия и электропроводящего полимера искусственного волокна, повышение надежности. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области бионики и может найти применение в протезировании и робототехнике, в частности при создании бионических конечностей, манипуляторов и экзоскелетов.
По мере изучения возможностей применения в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живого организма, приходится сталкиваться с новыми вопросами, ответы на которые можно получить как с использованием уже известных научных и технических подходов, так и на данный момент неизученных.
Функционирование наиболее перспективного вида бионических протезов, на который, по мнению автора, в первую очередь следует обратить внимание ученых умов, осуществляется за счет электрохимических процессов и использования материалов с подходящими физико-химическими свойствами. Данные бионические протезы по сравнению с существующими на этот момент электронными имеют множество преимуществ, которые заключаются в возможности управления конечности электрическими импульсами, идущими непосредственно от нерва, большой точности и пластичности движений, возможности осязать и чувствовать температуру, более низком времени отклика исполнительных органов, хорошей приживаемости, отсутствии необходимости использовать источники питания, более простой конструкции и возможности самовосстановления.
Вместе с тем существуют проблемы технического характера, которые могут сильно затруднить внедрение в производство данного вида бионических протезов.
Известна бионическая конечность, содержащая 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 искусственных нервов 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 катионнообменная мембрана, пропускающая ионы щелочных металлов.
В данном изобретении конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами, взятая за прототип, предусматривает соединение оголенных от полимерного диэлектрика частей искусственных нервов с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном искусственных мышц посредством соприкосновения (RU 2559417 C1, A61F 2/54, 10.08.2015).
Для обеспечения передачи электрического импульса в такой конструкции необходимо, чтобы нити интерметаллидов и волокно соприкасались с искусственными нервами либо несколько раз, либо на большом протяжении. Данная конструкция представляет собой участок цепи с параллельным соединением проводников - электропроводящего полимера и нитей интерметаллидов и нейлонового и/или полиэтиленового волокна. Поскольку электропроводность интерметаллидов с памятью формы выше, чем у электропроводящих полимеров, для которых максимальная известная электропроводность составляет порядка 80000 См/см (у полиацетилена), основной ток будет протекать через интерметаллидные нити. Однако ввиду более низкой электропроводности нейлонового и полиэтиленового волокон при подаче нервного импульса на участке цепи с параллельным соединением через них будет проходить лишь незначительный ток.
Учитывая, что величина тока, протекающего в живых и искусственных нервах, незначительная, а при передаче искусственным мышцам становится еще меньше, возникает необходимость использовать очень тонкое и высокочистое волокно. В противном же случае эффект сокращения волокна под действием импульсов тока будет ничтожно малым.
Малейшее увеличение толщины волокна и наличие в нем примесей может привести к резкому снижению дееспособности бионической конечности. Ограничения по толщине и чистоте материалов усложняет процесс ее изготовления и увеличивает себестоимость, а также снижает ее надежность, поскольку в таком случае необходимо использовать меньшее количество интерметаллидных нитей и волокна меньшей толщины.
Задачей предложенного изобретения является разработка конструкции соединения искусственных нервов с искусственными мышцами, повышающая эффективность передачи нервных импульсов исполнительным органам.
Техническим результатом предложенного изобретения является увеличение скорости сокращения искусственной мышцы, ее расслабления при прекращении нервного импульса, повышение ее надежности.
Технический результат достигается за счет того, что предложена конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами, в которой оголенные от полимерного диэлектрика 1 части искусственных
нервов 2 соединены с нитями интерметаллидов 3, при этом в электропроводящий полимер искусственного нерва встроен термоэлектрический преобразователь 5 по схеме последовательного соединения, который соединен с нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном 4.
Сущность предложенной конструкции соединения искусственных нервов с искусственными мышцами представлена на чертеже, на котором показаны следующие элементы:
1 - слой полимерного диэлектрика, нанесенного на токопроводящий полимер,
2 - участок искусственного нерва с оголенным токопроводящим полимером,
3 - нити интерметаллидов с памятью формы,
4 - нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно,
5 - термоэлектрический преобразователь (элемент Пельтье).
Обеспечение соединения нейлонового и/или полиэтиленового волокна 4 искусственной мышцы с искусственным нервом через термоэлектрический преобразователь (элемент Пельтье) 5, преобразующего электричество в тепловую энергию, увеличит чувствительность данного волокна к импульсу, поскольку ему свойственно в большей степени сокращаться под прямым тепловым воздействием, нежели при нагревании током, причем по схеме параллельного соединения, и повысит как скорость сокращения мышцы, так и скорость ее расслабления, что объясняется следующим. При прекращении нервного импульса за счет остаточного тока, обусловленного током заряжения двойных электрических слоев, образующихся на мембране аксона живого нерва или же на границе раствора ионов натрия и калия и электропроводящего полимера искусственного нерва (RU 2564558 C1, A61F 2/00, 10.10.2015), и протекающего в обратном направлении, будет происходить в некоторой степени охлаждение соприкасающейся с волокном стороны термоэлектрического преобразователя, что сократит время расслабления искусственной мышцы за счет более быстрого остывания волокна - таким образом снизится вероятность эффекта, схожего с миотонией (болезнью Томсена) живых мышц.
Образование двойного электрического слоя на межфазной границе электропроводящий полимер/раствор ионов натрия и калия при протекании через искусственный нерв тока, в свою очередь, является очевидным вследствие энергетически неравноценного состояния ионов на границе фаз и в объеме раствора. Двойной электрический слой также возникает на границах живых нервных волокон, что объясняется малой пропускной способностью мембраны по отношению к ионам натрия, концентрация которых вне клетки значительно больше, чем внутри нее (Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Современная электрохимия. М., Наука, 1965, с. 82), однако данный слой отвечает, в первую очередь, за формирование мембранного потенциала нейрона в невозбужденном состоянии (потенциала покоя). Остаточный же ток, позволяющий охладить рабочую поверхность элемента Пельтье, образуется в большей степени за счет двойного электрического слоя на границе раствора ионов натрия и калия и электропроводящего полимера искусственного нерва.
Размещение термоэлектрического преобразователя 5 в искусственном нерве по схеме последовательного соединения («токопроводящий полимер-термоэлектрический преобразователь - токопроводящий полимер») увеличит количество тепловой энергии, передаваемой волокну, поскольку особенностью данного типа соединения является то, что во всех его элементах протекает один и тот же ток.
Чтобы не перекрывать сквозную пористость искусственного нерва, термоэлектрический преобразователь 5 может быть выполнен, например, в виде кольца.
Таким образом, специалисту очевидно, что соединение нейлонового и/или полиэтиленового волокна с искусственным нервом через встроенный в него термоэлектрический преобразователь (элемент Пельтье) увеличит
чувствительность данного волокна к нервным импульсам, и, следовательно, увеличит скорость сокращения и расслабления искусственной мышцы и также повысит ее надежность как за счет более высокой электрочувствительности, так и за счет возможности увеличить толщину волокна.
Claims (1)
- Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами, в которой оголенный от полимерного диэлектрика электропроводящий полимер искусственного нерва соединен с нитями интерметаллидов искусственной мышцы, отличающаяся тем, что в электропроводящий полимер встроен термоэлектрический преобразователь по схеме последовательного соединения, который соединен с нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном искусственной мышцы.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017119911A RU2653800C1 (ru) | 2017-06-07 | 2017-06-07 | Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017119911A RU2653800C1 (ru) | 2017-06-07 | 2017-06-07 | Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2653800C1 true RU2653800C1 (ru) | 2018-05-14 |
Family
ID=62152736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017119911A RU2653800C1 (ru) | 2017-06-07 | 2017-06-07 | Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2653800C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001112796A (ja) * | 1999-10-14 | 2001-04-24 | Shigenao Maruyama | 補助人工心筋 |
| US6408289B1 (en) * | 1993-06-11 | 2002-06-18 | Mri Devices Daum Gmbh | Shapeable elastic body with master unit and method of controlling |
| RU2559417C1 (ru) * | 2014-05-14 | 2015-08-10 | Дмитрий Андреевич Журавлёв | Бионическая конечность и способ ее изготовления |
| RU2563815C1 (ru) * | 2014-05-14 | 2015-09-20 | Дмитрий Андреевич Журавлёв | Искусственная мышца |
-
2017
- 2017-06-07 RU RU2017119911A patent/RU2653800C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6408289B1 (en) * | 1993-06-11 | 2002-06-18 | Mri Devices Daum Gmbh | Shapeable elastic body with master unit and method of controlling |
| JP2001112796A (ja) * | 1999-10-14 | 2001-04-24 | Shigenao Maruyama | 補助人工心筋 |
| RU2559417C1 (ru) * | 2014-05-14 | 2015-08-10 | Дмитрий Андреевич Журавлёв | Бионическая конечность и способ ее изготовления |
| RU2563815C1 (ru) * | 2014-05-14 | 2015-09-20 | Дмитрий Андреевич Журавлёв | Искусственная мышца |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Hanus J.et al. Use of thermoelectric properties of materials with shape memory in medicine// Sb. Lek., Czech, 1998, 99(4):515-20, abstr. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xia et al. | Self-powered multifunction ionic skins based on gradient polyelectrolyte hydrogels | |
| Wu et al. | Self-powered tactile sensor with learning and memory | |
| Hassani et al. | Smart materials for smart healthcare–moving from sensors and actuators to self-sustained nanoenergy nanosystems | |
| Lee et al. | Mimicking human and biological skins for multifunctional skin electronics | |
| Duan et al. | Water-modulated biomimetic hyper-attribute-gel electronic skin for robotics and skin-attachable wearables | |
| Yang et al. | Hydrogel ionotronics | |
| Sheng et al. | Self-powered smart arm training band sensor based on extremely stretchable hydrogel conductors | |
| Fu et al. | Stretchable and self-powered temperature–pressure dual sensing ionic skins based on thermogalvanic hydrogels | |
| Kim et al. | Organic synaptic transistors for bio‐hybrid neuromorphic electronics | |
| Li et al. | Nanomaterials and their applications on bio-inspired wearable electronics | |
| Vivekananthan et al. | Triboelectric nanogenerators: design, fabrication, energy harvesting, and portable-wearable applications | |
| Lei et al. | Short-term plasticity, multimodal memory, and logical responses mimicked in stretchable hydrogels | |
| Lei et al. | Dual-stimuli-responsive and anti-freezing conductive ionic hydrogels for smart wearable devices and optical display devices | |
| Sun et al. | Self-powered memory systems | |
| RU2653800C1 (ru) | Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами | |
| Li et al. | Polymer-based nanogenerator for biomedical applications | |
| Das et al. | Piezoelectric nanogenerators for self-powered wearable and implantable bioelectronic devices | |
| Chen et al. | Thermal nociception of ionic skin: TRPV1 ion channel-inspired heat-activated dynamic ionic liquid | |
| Chen et al. | Untethered artificial muscles powered by wearable sweat-based energy generator | |
| Bian et al. | Advances in memristor based artificial neuron fabrication-materials, models, and applications | |
| Xia et al. | A low-power and flexible bioinspired artificial sensory neuron capable of tactile perceptual and associative learning | |
| Xiao et al. | Electric eel biomimetics for energy storage and conversion | |
| Peng et al. | Bioinspired ionic control for energy and information flow | |
| Wen et al. | Multifunctional neurosynaptic devices for human perception systems | |
| Yin et al. | Anti-Freezing and Ultrasensitive Zwitterionic Betaine Hydrogel-Based Strain Sensor for Motion Monitoring and Human–Machine Interaction |