RU2653800C1 - Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами - Google Patents

Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами Download PDF

Info

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
Application number
RU2017119911A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Андреевич Журавлёв
Original Assignee
Дмитрий Андреевич Журавлёв
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Андреевич Журавлёв filed Critical Дмитрий Андреевич Журавлёв
Priority to RU2017119911A priority Critical patent/RU2653800C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2653800C1 publication Critical patent/RU2653800C1/ru

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS 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
    • A61F2/00Filters 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
    • A61F2/50Prostheses 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)

  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.
RU2017119911A 2017-06-07 2017-06-07 Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами RU2653800C1 (ru)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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