WO2019202178A1 - Aparato y método para la generación de microgravedad - Google Patents

Aparato y método para la generación de microgravedad Download PDF

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WO2019202178A1
WO2019202178A1 PCT/ES2018/070311 ES2018070311W WO2019202178A1 WO 2019202178 A1 WO2019202178 A1 WO 2019202178A1 ES 2018070311 W ES2018070311 W ES 2018070311W WO 2019202178 A1 WO2019202178 A1 WO 2019202178A1
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WO
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axis
rotation
rotating body
speed
microgravity
Prior art date
Application number
PCT/ES2018/070311
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English (en)
French (fr)
Inventor
David LAVÁN
Ane Miren IRIONDO
Jesús María ÁLVARO
Asier BOLLAR
Original Assignee
Ingesea Automation Sl
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G7/00—Simulating cosmonautic conditions, e.g. for conditioning crews
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes
    • G09B9/02—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft
    • G09B9/08—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft for teaching control of aircraft, e.g. Link trainer
    • G09B9/12—Motion systems for aircraft simulators
    • G—PHYSICS
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    • G09B9/02—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft
    • G09B9/08—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft for teaching control of aircraft, e.g. Link trainer
    • G09B9/16—Ambient or aircraft conditions simulated or indicated by instrument or alarm
    • G09B9/165—Condition of cabin, cockpit or pilot's accessories
    • G—PHYSICS
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    • G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes
    • G09B9/02—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft
    • G09B9/52—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft for teaching control of an outer space vehicle

Definitions

  • the present invention belongs to the field of microgravity generation systems, applicable to both living organisms or beings and to inert beings, such as various materials.
  • Clinostats also known as Random Position Machines
  • the clinostatos usually have a single axis of rotation, in which case they allow to study responses in the plane of rotation, or two axes of rotation, which allow to generate a huge variety of experimental conditions.
  • a series of random forces are applied to the sample to achieve a level of simulated microgravity close to zero.
  • Clinostats can be used, for example, to study the effects of microgravity on cell cultures. Its use is also planned in the study of cancer evolution (see for example Becker JL1, Souza GR.
  • microgravity can increase the response to drugs in cancers such as B-cell lymphoma, liver cancer, breast and lung cancer (Mukhopadyay S et al., 2016: A systems biology pipeline identifies new immune and disease related molecular signatures and networks in human cells during microgravity exposure).
  • the main problem of conducting experiments in microgravity conditions lies in the difficulty and high cost of developing and executing the experiments in such conditions, for which an orbiting satellite or the International Space Station (ISS) facilities are required (see for example Setlow RB, 2003: The hazards of space travel; or Herranz R et al., 2013: Ground-based facilities for simulation of microgravity-organism-specific recommendations for their use, and recommended terminology).
  • ISS International Space Station
  • different types of microgravity simulators such as the Clinostat 3-D, have been developed with two degrees of freedom obtained by means of two rotation axes placed at right angles. The rotation, generated by two motors, is controlled by encoders connected to a computer.
  • Patent application US2016 / 0103454A1 discloses an apparatus for the control of gravity formed by two frames or rotating structures arranged on a support. One of the frames is located in the interior space defined by the other frame. Each frame rotates along a respective axis, these axes being orthogonal to each other.
  • Patent application US2016 / 0163218A1 discloses an apparatus for simulating rotational dynamics with 3 degrees of freedom in spacecraft with no limit at the maximum possible angle of rotation thanks to an external gimbal structure into which a load and a spherical air bearing are introduced which can rotate freely in 4p stereorradianes.
  • Patent application US2003 / 041800A1 discloses an apparatus for simulating microgravity in samples and cell cultures, based on two frames or structures within which a container that houses the sample is located. Each frame rotates around an axis, thus rotating the container with the sample.
  • the apparatus allows to provide a fluid supply to the samples during microgravity simulations.
  • the present disclosure provides a new apparatus and method of microgravity generation that attempt to solve the disadvantages of the apparatus and methods of microgravity generation of the prior art.
  • the invention provides a mechatronic system of N degrees of freedom, N being a natural number greater than 2 (N> 2), which generates microgravity environments.
  • the mechatronic system is physically structured like a three-dimensional (3D) clinostat.
  • the mechatronic system comprises N axes of rotation that provide N degrees of freedom.
  • the N axes of rotation are controlled independently by means of drive, such as motors.
  • the rotation of these axes causes a constant simulated microgravity level (close to 0, for example a lower level of G / 100, such as less than G / 1000, or less than G / 10 4 , or less than G / 10 5 , or less than G / 10 6 or less than G / 10 7 ) and stable in a central area of the mechatronic system (also referred to hereafter as a machine or apparatus for generating microgravity).
  • degrees of freedom are understood as the minimum number of speeds Generalized independent necessary to define the kinematic state of the mechanism or mechanical system.
  • the term "generalized" refers to coordinates, such as velocities, for example angular velocities, which describe the state of the system referred to.
  • the number of degrees of freedom coincides with the number of equations necessary to describe the movement.
  • the sample to be subjected to simulated microgravity is housed in the central area of the apparatus.
  • This central area in which the level of microgravity is constant and stable is variable depending on the size of the apparatus.
  • the central space of the apparatus has the capacity to house bodies, such as living beings or objects.
  • the apparatus is designed to house humans, in which case it has a carrying capacity (mass of the sample) greater than 50 kg, such as greater than 75 kg, or greater than 100 kg, up to about 150 kg
  • the maximum load capacity is determined by the mechanical structure and the motors (for example, their power), which must be chosen and sized according to the load to be housed and subjected to microgravity.
  • This central space intended to house living beings or objects can be implemented through various configurations, such as through a seat, mainly when it comes to housing a human being, or by fixing equipment or parts.
  • the sample or body to be subjected to microgravity in the mechatronic system can be a living being or an inert being.
  • living beings that can be housed in the mechatronic system of the present disclosure are humans, animals, plants, microorganisms, different cell models, etc.
  • the mechatronic system of the present disclosure is especially advantageous for subjecting microgravity to living beings, due to its ability to provide a constant level of microgravity while at the same time continuously sufficient instability of the sample subjected to the effects of the clinostat, thus avoiding that the sample assimilate the supported forces and the effect of gravity reappears.
  • the apparatus for generating microgravity is formed by mechanical elements, such as a support structure, a plurality of rings, frames or rotating bodies and one or more means of rotation and couplings that provide N degrees of freedom by means of N axes of rotation (N> 2 ).
  • the apparatus may also include one or more encoders and / or protective elements, among other mechanical elements.
  • the device is also made up of electrical / electronic elements. As an example, it includes one or more motors (for example, as many as necessary to move the rings or frames that determine the axes of rotation), motor reducers, sensors, processing means, such as microprocessors, a control system based, for example, on PLCs and media for the exchange of data / information, among other elements. The incorporation of sensors allows data to be collected while using the device.
  • the apparatus may also include storage media, such as memories, for example to support the processing media, by storing software with instructions that are executed in the processing media.
  • N 3 degrees of freedom.
  • control that include software (set of programs and computer instructions) that is housed in a processing medium, which may be attached to the mechatronic or remote system with respect to the same.
  • control means of the machine comprise processing means in which said software is executed.
  • the control means also comprise storage means, such as memories, for example to support the processing means, by storing software with instructions that are executed in the processing means.
  • the apparatus for generating microgravity can also include a management system, to, among other aspects, identify the body, object or living being to be subjected to microgravity, to align it with its process and monitor it continuously; and / or for the parameterization of the operation of the device (start, stop, operating criteria, safety criteria in use, etc.); and / or for the technical and operational configuration of the system (for example, algorithms and hidden functional management); and / or to offer a platform or user interface that provides services, such as remote assistance and monitoring (for example in real time) and / or intelligent process and data management, among others.
  • a control panel (user interface) can be controlled remotely in real time. In embodiments of the invention, the control panel has automatic start and stop orders when any of the acquired values reaches the levels marked as limit, previously calculated.
  • control logics can be executed to limit said rotation to a maximum number of degrees of inclination.
  • the inclination to which the cabin in which the person is staying is subjected can be limited.
  • the inclination in any of the axes of rotation can be limited to a maximum of 90 e with respect to the vertical.
  • the inclination may be limited in either axis of rotation to a maximum of 150 and with respect to the vertical, for example up to 120 and up to 100 or e.
  • This rotation is generated through the force of the motors coupled to the machine, whose pairs are sufficient to mobilize the entire structure of the machine, including the sample or body (living being or object) that is placed in the central area.
  • a control panel user interface
  • the apparatus for generating microgravity is designed to house different objects and living beings that, in use of the system, revolve around N axes of rotation (N> 2), being subjected to controlled values of gravity in a substantially constant way and with a sufficient degree of instability applied continuously.
  • the objects and living beings are therefore subjected to different processes or activities depending on various aspects, such as the level of severity that you want to apply on the object or living being or the temporary duration of exposure to microgravity that you experience.
  • These activities can have a different nature, always looking for the effect that gravity or its absence generates on living objects or beings.
  • a specific operation protocol will be designed for each situation.
  • Examples of these activities are: scientific research related to the effect of microgravity on living beings and objects; therapeutic treatments applied to living beings; or entertainment and leisure activities for living beings.
  • an instability effect is applied, to prevent said living beings from adapting to the simulated microgravity that the apparatus generates.
  • the apparatus to generate microgravity it may incorporate other elements necessary for said application, such as microscopes, for example fluorescence microscopes, elements to favor the execution of mobility exercises within the machine itself, Molecular biology equipment, such as real-time PCR, optical clamp equipment to measure the effects of protein elongation and, thanks to the dimensions of the microgravity machine of the present disclosure, any other equipment necessary for an investigation.
  • microscopes for example fluorescence microscopes
  • Molecular biology equipment such as real-time PCR, optical clamp equipment to measure the effects of protein elongation and, thanks to the dimensions of the microgravity machine of the present disclosure, any other equipment necessary for an investigation.
  • an apparatus for the microgravity generation comprising a first rotating body configured to rotate around a first axis by actuating a first actuating means, a means for housing a sample, the medium being circumscribed in the first rotating body and connected to the first rotating body , a second rotating body configured to rotate around a second axis by actuating a second actuating means, the first rotating body being disposed within a volume delimited by the second rotating body when it rotates around said second axis and connected to the second rotating body, and a third rotating body configured to rotate about a third axis by actuating a third driving means.
  • the second rotating body is arranged inside a volume delimited by the third rotating body when it rotates around the third axis and connected to the third rotating body.
  • the first, second and third drive means are independent of each other, the rotation of each axis being independent of the rotation of the other axes.
  • the rotation of said rotating bodies generates a simulated microgravity level in said means to house a sample.
  • the apparatus also comprises a processing means configured to control the rotation of each of said axes by applying, in each of said axes, a pseudo-random value of rotation speed that varies between a minimum value v minJ and a v max maximum value previously set for each axis i, for a pseudo-random value of time ranging from a minimum value t minj and maximum value ⁇ MAXJ previously set for each axis i.
  • a processing means configured to control the rotation of each of said axes by applying, in each of said axes, a pseudo-random value of rotation speed that varies between a minimum value v minJ and a v max maximum value previously set for each axis i, for a pseudo-random value of time ranging from a minimum value t minj and maximum value ⁇ MAXJ previously set for each axis i.
  • said minimum value v m / n is determined as a percentage of an average angular velocity on said axis, where said average angular velocity is obtained from a desired level of microgravity and of a distance from the center of said medium at which said desired level of microgravity must be achieved.
  • the first, second and third rotating bodies are supported by a fixed structure arranged on a reference surface.
  • the means for housing a sample is a seat for a person to be accommodated in the central part of the apparatus.
  • the processing means is configured to limit the inclination of each of the axes with respect to the vertical, to a maximum value of degrees of inclination previously established. This option will depend on the sample housed in the device. When it comes to people, it will depend for example on the application for which the device is used and / or the person's age and health status.
  • random angular velocity values can be chosen for certain microgravity values, for a position relative to the center of the system.
  • the processing means is configured to control the direction of rotation of each of said axes by applying a change of direction on each axis and each time elapses whose value is a pseudo-random value. which varies between a minimum value t_Dir min i and a maximum value t_Dir max_i previously established for each axis i.
  • the processing means is configured to impose a maximum value of time in which an axis i rotates at the same speed.
  • the apparatus comprises a control panel configured to control at least one of the following parameters: speed of each of the axes of rotation v, direction of movement of each axis of rotation and maximum time value in which an axis i rotates at the same speed t ⁇ .
  • a method for the generation of simulated microgravity by means of an apparatus comprising a first rotating body configured to rotate around a first axis, by actuating a first driving means; a means for housing a sample, the medium being circumscribed in the first rotating body and connected to the first rotating body; a second rotating body configured to rotate about a second axis by actuating a second actuating means, the first rotating body being disposed within a volume delimited by the second rotating body when it rotates around said second axis and connected to the second rotating body; and a third rotating body configured to rotate about a third axis by actuating a third driving means, the second rotating body being arranged inside a volume delimited by the third rotating body when it rotates around the third axis and connected to the third rotating body, wherein said first, second and third drive means are independent of each other.
  • the method comprises: rotating said first, second and third rotating bodies around said axes by independent actuation of said first, second and third driving means; control the rotation of each of the axes by applying, on each of said axes, a pseudo-random value of rotation speed v ⁇ that varies between a minimum value v minJ and a maximum value v max _, ⁇ previously established for each axis i, during a pseudo-random value of time t ⁇ that varies between a minimum value ⁇ m ⁇ nJ and a maximum value t max _ ⁇ previously established for each axis i.
  • the minimum value v m / n of rotational speed is obtained as follows: calculate an angular velocity at which said axis must rotate to achieve a certain level of microgravity at a certain distance with with respect to the center of said means, and calculate a percentage of said angular velocity, said percentage being the minimum value v m ⁇ nJ .
  • the method further comprises controlling the direction of rotation of each of said axes by applying a change of direction on each axis and each time elapses whose value is a pseudo-random value that varies between a minimum value t_Dir min i and a maximum value t_Dir max_i previously established for each axis i.
  • a computer program comprising computer program code instructions for performing the method described above.
  • a computer readable media / storage medium that stores program code / instructions is provided to perform the method described above.
  • One of the applications of the apparatus for generating microgravity of the present disclosure is in the therapeutic treatment of cancer, given the ability of the apparatus to inhibit cancer cells through the creation of the microgravity environment, since simulated microgravity causes cell apoptosis. carcinogenic through the inhibition of the genetic expression of the genes that cause tumor development. That is, the apparatus of the present disclosure provides a microgravity environment that favors the inhibition of labeled proteins as tumor regulators.
  • Another of the applications of the apparatus for generating microgravity of the present disclosure is in the therapeutic treatment of muscle injuries, given the ability of the apparatus to achieve muscle relaxation thanks to the inhibition of troponin, a marker identified as causing muscle contractures. That is, the apparatus of the present disclosure provides a microgravity environment that favors the inhibition of muscle and contracture-generating proteins.
  • the apparatus is combined with virtual reality equipment for the user to enjoy, combining the sensation of weightlessness with virtual reality, of an exciting experience.
  • Figure 1A shows a front view of a scheme of a mechatronic system for the generation of microgravity according to a possible embodiment of the invention.
  • Figure 1 B shows a side view of the scheme of a mechatronic system for the generation of microgravity of Figure 1 A.
  • Figure 1 C shows a side view of the scheme of a mechatronic system for the generation of microgravity of Figures 1 A-1 B, in a rotation position.
  • Figure 2 shows a schematic of the structure or fixed platform supporting the rotating bodies of the mechatronic system of Figures 1A-1 C.
  • Figure 3 illustrates a parameter representing the maximum time in seconds that an axis driven by one or more motors is allowed to rotate at the same previously calculated speed. This speed is obtained after an acceleration / deceleration time.
  • Figure 4 shows a graph depicting the levels of microgravity achieved experimentally, as a function of the distance from the center point of the machine and the angular velocity applied.
  • Figures 5A-5D illustrate an experiment carried out with a machine of the invention. It involves crystallization of potassium nitrate in microgravity.
  • the schemes illustrated in Figures 1A-1 C represent some of the elements of a system or apparatus for the generation of microgravity 1 according to an embodiment of the invention.
  • the system 1 comprises a first rotating body or frame 10 configured to rotate about a first axis 10a, a second rotating body or frame 1 1 configured to rotate about a second axis 1 1 a and a third rotating body or frame 12 configured to rotate around a third axis 12a.
  • the first axis 10a coincides with the third axis 12a. That is, the three axes of rotation 10a, 1 1 a, 12a are independent of each other, but at rest the first axis 10a and the third axis 12a line up.
  • the movement of each axis is independent of the movement of the other two axes.
  • the rotating bodies 10, 1, 1, 12 are supported by a fixed structure or platform 5 that is arranged on the ground or reference surface.
  • Circumscribed in the third body or rotating frame 12 there is a means for housing the sample or body to be subjected to microgravity.
  • the means for housing the sample is a means 60 suitable for a person to be accommodated in the central part of the apparatus 1 so that it can be subjected to the microgravity generated by the apparatus 1.
  • the medium 60 is, for example , but not limited to, a seat 60.
  • the means for housing the sample is replaced by another suitable for the sample, such as fastening means, a support, a container closed, or others.
  • the seat 60 is tied to the third rotating body 12 by coupling means.
  • FIG. 2 illustrates in detail the fixed structure or platform 5 in accordance with a possible implementation of the invention.
  • the structure 5 has two parallel pieces 51, 52 in the form of an inverted V.
  • each wand or element 51 A, 51 B, 52A, 52B that forms the inverted V joins at one end with the other wand or element that forms the respective inverted V.
  • This union is implemented by means of an element 51 C, 52C, which in the illustrated implementation is a trapezoidal piece.
  • the fixed structure or platform 5 also has a piece 54 designed to rest on the floor or support surface.
  • Each of the four lower ends of the assembly formed by the two pieces 51, 52 (ie, each free end of the rods or elements 51 A, 51 B, 52A, 52B) is supported or connected on a respective vertex of the four vertices of the piece 54 located on the ground (or support surface).
  • This piece 54 is formed by four parallel sides two to two.
  • the structure 5 illustrated also has two crossbars 55, 56 parallel to each other and to the plane of the bearing surface. Each cross member 55, 56 connects an inclined element of the piece 51 with the respective inclined element of the piece 52.
  • the structure 5 can also include bars 57 to give structural resistance to torsions.
  • Each of the 4 bars 57 illustrated has one end connected to a vertex of the four vertices of part 54. The other end of each bar 57 is connected to the other end of the other three bars.
  • the first rotating body 10 is formed by a set of elongated elements that form a closed perimeter.
  • the elongated elements form an octagonal perimeter, although other different perimeter shapes are possible.
  • the first rotating body 10 rotates around the axis of rotation 10a driven by drive means, such as one or more motors.
  • drive means such as one or more motors.
  • two motors (or servomotors) 21, 22, rotate the first rotating body 10 about the axis of rotation 10a.
  • the motors 21, 22 are located at opposite ends of the axis of rotation 10a.
  • the engines 21, 22 run simultaneously. In this embodiment, two motors 21, 22 have been used for mechanical needs.
  • the motors 21, 22 act on the rotating body 10 by rotating it on the axis of rotation 10a in either of the two directions (in figure 1 B an arrow indicates one of the two possible directions of rotation).
  • Other elements of the first rotating body 10 are reducers 31, 32 of the motors for varying the torque of the respective motor, elastic couplings 41, 42 for absorbing vibrations and electric collectors 51, 52.
  • the first rotating body 10 rotates around the first axis of rotation 10a.
  • the first rotating body 10 can carry a single motor, located at one of the ends of the axis of rotation 10a.
  • the microgravity generation apparatus is designed for applications where the sample is of a reduced or moderate weight, such as in the case of microorganisms, cells or plants or small animals.
  • the outer shaft 10a which is the one that supports the most weight, has two engines 21, 22 that work simultaneously.
  • the second rotating body or frame 1 1 is configured to rotate about a second axis of rotation 1 1 perpendicular to the first axis of rotation 10a.
  • the second rotating body 1 1 is formed by a set of elongate elements that form a closed perimeter.
  • the elongated elements form an octagonal perimeter, although other different perimeter shapes are possible.
  • the second rotating body 1 1 is smaller than the first rotating body 10, so that the second rotating body 1 1 is circumscribed in the first rotating body 10 or located within a volume defined by the first rotating body 10 when tour driven by the corresponding drive means.
  • the second rotating body 1 1 is connected to the first rotating body 10 by a first coupling implemented by electric manifolds 53 (and elastic couplings, shafts and bearings) connecting a side 121 of the second rotating body 1 1 with a side 1 1 1 of the first rotating body 10 and a second coupling by means of electric collectors connecting another side 122 of the second rotating body 1 1 with another side 1 12 of the first rotating body 10.
  • These couplings connect or hold together the first rotating body 10 and the second rotating body 1 1 but allow the bodies 10, 1 1 to rotate on their respective axis.
  • the electrical collectors allow the necessary degrees of rotation.
  • the electrical collectors allow carrying electrical signals that may be necessary, for example, by means of a fieldbus using the corresponding wiring. The aforementioned electrical signals can be used to power the axes to reach speed required and calculated by the control software, as explained below, or to carry sensor signals for monitoring, etc.
  • the second rotating body 1 1 revolves around the axis of rotation 1 1 driven by drive means, such as one or more motors or servomotors.
  • drive means such as one or more motors or servomotors.
  • a motor 23 located next to the side 122 of the rotating body 1 1 rotates the second rotating body 1 1 about the axis of rotation 1 1 a in either direction (in figure 1 B an arrow indicates one of the two possible directions of rotation).
  • the motor 23 is located on the axis of rotation 1 1 a.
  • Other elements of the second rotating body 1 1 are a reducer 33 of the motor 23 and an elastic coupling 43.
  • the third rotating body or frame 12 is configured to rotate about a third axis of rotation 12a independent of the first axis of rotation 10a and the second axis of rotation 1 1 a.
  • the third rotating body 12 is formed by a set of elongate elements that form a closed perimeter.
  • the elongated elements form a square or rectangular perimeter, although other different perimeter shapes are possible.
  • the third rotating body 12 is smaller in size or occupies a smaller volume than the second rotating body 1 1, so that the third rotating body 12 is circumscribed in the second rotating body 1 1 or located inside a volume defined by the second rotating body 1 1 when rotated driven by the corresponding drive means.
  • the third rotating body 12 is connected to the second rotating body 1 1 by elastic couplings 44 and electric collectors 54, shafts and bearings on opposite sides of the perimeter of the third rotating body 12.
  • the electric manifolds 54 allow the passage of signals from a rotating body to other.
  • Counterweights can also be included to balance weights with the motor on the other side.
  • the third rotating body 12 revolves around the axis of rotation 12a driven by drive means, such as one or more motors or servomotors.
  • drive means such as one or more motors or servomotors.
  • the motor 24 rotates the third rotating body 12 around the axis of rotation 12a in either direction (in figure 1 B an arrow indicates one of the two possible directions of rotation).
  • Other elements of the third rotating body 12 are a reducer 34 of the motor 24 and electric manifolds 54 (and couplings, shafts and bearings).
  • the drive means 24 rotates, the third rotating body 12 rotates around the third axis of rotation 12a.
  • each rotating body 10, 1 1, 12 rotates along a respective axis 10a, 1 1 a, 12a independently.
  • axis 10a is orthogonal to axis 1 1 a and axis 1 1 a is orthogonal to axis 12a.
  • This rotation is generated through the force of the motors coupled to the machine, whose torque is sufficient to mobilize the entire structure of the machine, including the sample (living being or object) that is placed in the central zone.
  • N 3 degrees of freedom are achieved.
  • the third rotating body 12 rotates, so does the seat 60 connected to the body 12, so that the person occupying the seat 60 is subjected to a series of random forces to achieve a simulated microgravity level close to zero. That is, due to the generated rotation movement, the person sitting in the seat 60 rotates in all directions.
  • the independent motors can be rotated by moving each axle separately or all the motors can be combined simultaneously making the person turn in any position.
  • the rotation of the axes is generated through the force of the motors coupled to the machine, whose pairs are sufficient to mobilize the entire structure of the machine, including the sample or body (living being or object) that is placed in the area central.
  • the mechatronic system also has control means, not illustrated, formed by a set of processing means and auxiliary elements, such as memory storage means.
  • processing means any processor or set of processors with adequate response capacity can be used, such as a central processing unit or at least one central processing core, a graphic processing unit, an FPGA (field-programmable gate array) or an embedded circuit (for example a system-in-chip or a system-in-chip multiprocessor), or a combination of the above.
  • the processing means may be attached to the mechatronic system 1 or remote with respect thereto.
  • the machine control means also comprise storage means, such as memories, for example to support the processing means, storing software with instructions that are executed in the processing means.
  • the mechatronic system also has a user interface (control panel) that allows communication with the control means to control the operation of the system through the programming and selection of work parameters. That is, through the user interface, the rotation movement, speed and direction of rotation of each of the rotation axes can be controlled so that constant and stable microgravity values are obtained at a programmed or selected level. For example, if a desired microgravity value is set at G * 10 7 , the sample housed in the mechatronic system will always be subject to that microgravity level during the session in the system. If, on the contrary, a desired microgravity value is set at G * 10 4 , the sample housed in the mechatronic system will always be subject to that microgravity level during the session in the system.
  • the system calculates, from the desired microgravity value and the distance from the center of the medium 60 to house the sample, such as seat, the angular velocity which must be imposed on each axis of rotation 10a, 1 1 a, 12a.
  • each axis of rotation 10a, 1 1 to 12a can be indicated, so that the system, through the execution of the software embedded in the processing means, can calculate and inform the user through the control interface of the microgravity value to be achieved at different distances from the center of the medium 60 to house the sample.
  • g ef is the effective gravity measured in gravity (g) on the turntable (system of figures 1A-1 C) or microgravity at a distance R from the center of the platform (system of figures 1A-1 C)
  • W is the average angular velocity, which is the same for each axis of rotation.
  • the effective gravity g ef is represented as a number of times g (for example, 0.00012 g).
  • the control system calculates the angular velocity necessary on each axis of rotation to achieve that effective gravity at that distance. Or by selecting a certain angular velocity for the axes of rotation, the control system can show, for example, graphically through a screen, the microgravity values that can be achieved depending on the distance to the center of the system.
  • This control can be done remotely and in real time.
  • These parameters create a system of motor speed changes, and therefore of the rotation axes 10a, 1 1 a, 12a, which as described below, is unstable and random. That is, to control the rotation or rotation speed of each of the axes of rotation 10a, 1 1 a, 12a and the direction of rotation or rotation (hourly or counterclockwise) thereof, a control panel ( user interface), not illustrated, which can be controlled remotely in real time.
  • the control system such as central control, for example PLC, is capable of calculating the average speed values of the motors for a given microgravity value. Alternatively, it is capable of calculating the microgravity value for angular velocity values entered by keyboard.
  • the control system calculates the movements that each axis has to do 10a, 1 1 a, 12a through logical instructions and function blocks implemented in the control system, such as PLC. These instructions control the servomotors in the machine.
  • the position control of each axis is carried out by means of encoders that are integrated in each servomotor and send the information to the control system (PLC) (it is a closed loop).
  • the control system (PLC) sends a setpoint of position, speed, acceleration and direction of rotation, and the servomotor executes these movements.
  • control logics can be executed to limit rotation to a maximum number of degrees of inclination, for example to prevent the person from being face down .
  • the inclination on any of the axes of rotation 10a, 1 1 a, 12a can be limited to a maximum of 90 e with respect to the vertical, or a maximum of 100 e with respect to the vertical, or a maximum of 120 e with respect to the vertical, or a maximum of 120 e with respect to the vertical.
  • the maximum inclination will vary depending on, among other things, the application; For example, if the device is used for leisure and entertainment, a greater inclination may be applied than in the case of therapeutic treatments.
  • the rotation of these axes 10a, 1 1 a, 12a causes a level of simulated microgravity constant (close to 0) and stable in a central area of the mechatronic system 1, that is, in the area occupied by the seat 60.
  • the system applies an instability effect, to prevent said living beings from adapting to the simulated microgravity that the apparatus generates.
  • the control logic related to the instability effect is implemented by means of software (set of programs and computer instructions) that is housed in the processing media mentioned above.
  • Instability is generated from a series of parameters controlled from the control means of the apparatus 1. These parameters create a system of unstable and random speed changes.
  • the parameters are as follows, for each axis of rotation 10a, 1 1 a, 12a (in general, axis i) associated with a respective rotating body 10, 11, 12:
  • each axis of rotation i (axes 10a, 1 1 a, 12a) is independent of the movement of the rest of the axes.
  • the maximum and minimum time to produce change of rotation speed is different in each axis i.
  • the same maximum value can be set for several or all axes, and the same minimum value can be set for several or all axes. Note that, although the same maximum (and minimum, respectively) value was chosen in all three axes, the events generated are random.
  • the speed of rotation of an axis i calculated by the processing means is a pseudo-random value that varies between v m / n , and v maxschreibcalculated from the following expression:
  • randQ being a function that generates a real pseudo-random value between 0.0 and 1.0.
  • the value of time that must elapse for a change in speed of rotation on an axis i, calculated by the processing means, is a pseudo-random value that varies between ⁇ m ⁇ nJ and t max _ ⁇ , calculated from of the following expression:
  • randQ being the same previous function.
  • the minimum velocity value (V min ⁇ ) is considered as a percentage of the average angular velocity value.
  • This value V min ⁇ is provided to the system, for example by keyboard. This value indicates the minimum value that the speed can reach with respect to the average value. Knowing V (represented in the previous formula as W) and V min, you can know the value V m ⁇ axJ. With these values the system calculates the pseudo-random values of the rotation speed (Rpm) of each axis. In this way, random angular velocity values can be chosen around an average angular velocity value W for certain microgravity values, for a position relative to the center of the system.
  • an additional parameter, t_Rpm_cte_i which represents the maximum time in seconds in which an axis i rotates at the same speed v ⁇ (rpm).
  • t_Rpm_cte_i represents the maximum time in seconds in which an axis i rotates at the same speed v ⁇ (rpm).
  • a time value used in the acceleration (t_Acel) of a rotation axis is shown.
  • the speed (RPM) of the axis i in question passes from 0 av ⁇ .
  • the second section of Figure 3 represents the maximum time during which the axis i rotates at the same speed v acquired in the previous stage. After this maximum time t_Rpm_cte, the axis i can increase or decrease its turning speed, but cannot keep it constant for longer.
  • the acceleration and deceleration parameters are configurable parameters that are used to adapt a different speed (while the speed is constant, the acceleration or deceleration parameters are not applied).
  • the values of the acceleration and deceleration parameters may be predefined (fixed) for a machine operating cycle. In other implementations of the invention, the values of the acceleration and deceleration parameters may vary in the same machine operating cycle. In embodiments of the invention, if on an axis i the initial and final velocities in a speed change are very similar, that time duration is limited at a constant speed to a value lower at maxurbanforcing another speed change before it ends the time determined by the t_Rpm_cte parameter.
  • the parameters of speed of rotation of each axis and time for change of speed in each axis are those that create the randomness (or pseudo-randomness), instability and unpredictability sought.
  • a third parameter can be used, which represents a change of direction in an axis, and which allows to increase the degree of pseudo-randomness, instability and unpredictability sought.
  • these indications of speed of rotation, change of speed, change of direction of rotation, etc., of each axis are sent from the processor in which the control software is executed to the system 1 in a wired manner. That is, the servomotors and encoders are wired. Note that servomotors have to be sent electrical power. In addition, in order to control everything, a fieldbus is sent through the electrical collectors to control the entire system. This also allows sensors to be placed in the center of the machine, at various points occupied by the user (or by the sample, in general).
  • the change of direction in an axis i is also random and independent of the change of direction in other axes.
  • a change of direction event occurs, a slow deceleration is generated up to speed 0 and then the direction of rotation of the axis in question is reversed up to the object speed it had before.
  • some parameters are described that allow to create a system of changes of direction of rotation in each axis and that contribute to create said sensation of instability, randomness and unpredictability for the entity (person, in the case of Figure 1A-1 C) immersed in the system. These parameters are the maximum time for direction change on an i axis (t_Dir_max_i) and the minimum time for direction change on an i axis (t_Dir_min_i).
  • the time value (t_Dir_ ⁇ ) after which there is a change of direction in an axis of rotation i is calculated by the processing means. It is a random value that varies between t_Dir_min_i and t_Dir_max_i, calculated from the following expression:
  • t_Dir_i (t_Dir_max_i - t_Dir_min_i) * rand () + t_Dir_min_i
  • randQ being the same previous function.
  • each axis i is independent of the rest of the axes with respect to this and the other parameters.
  • a chaotic system is thus achieved due to the continuous change of the parameters.
  • the value of one or more defined parameters may match on one or more axes of rotation.
  • Each axis i (in figures 1A-1 C, axes 10a, 1 1 a, 12a) has different speeds, different senses and different moments to change and reverse them.
  • one or other values of maximum speed of rotation of the motor or motors of the axis i, of minimum speed of rotation of the motor or motors of the axis i will be chosen, of maximum time for a change in speed of turning on the motor or motors of an i axis, of minimum time for a change in speed of rotation on the motor or motors of an i axis, etc.
  • these values will be different from those of an application intended to microgravity people. Even in the case of people, these values may vary depending on whether it is, for example, a therapeutic treatment or a recreational activity.
  • the living organisms housed in the accommodation means (for example, seat 60) of the mechatronic system are not stabilized and the microgravity effect is not lost.
  • Figure 4 shows a graph depicting the levels of microgravity experimentally achieved with a mechatronic system such as the one outlined in Figures 1A-1 C.
  • the mechatronic system with which the microgravity values represented in Figure 4 is a mechatronic system with 3 rotating bodies or frames, in which the means for housing the sample is not a seat, but a receptacle for holding or inserting a sample.
  • the manufactured mechatronic system has been sized as follows: Each rotating frame or arc is rectangular. For the three axes, geared motors consisting of a sensor, a motor and two speed reducers have been used.
  • the sensor is of the HEDS 5540 Model 1 10513 Series Encoder type with three channels of 500 pulses per revolution and two 5 V power pins and with a maximum operating frequency of 100 kHz.
  • the motor is an A-Max 32 series 353222 DC motor with 15W Nominal Power and 2850 rpm Nominal Speed, delivering a Nominal Torque of 36.3 mN.m.
  • the maximum working voltage of DC motors is 12 Volts and with a no-load current of 56.6 mA and with the structure at 100 mA, supporting a maximum current of 1.3 A.
  • the first speed reducer is a linear reducer of the Series.
  • the second reducer, 10: 1 speed is a 90 ° reducer model AER050010.
  • the nominal speed or working speed with load is 2850 RPM (nominal motor speed).
  • Figure 4 shows microgravity levels as a function of the distance with respect to the center point of the machine or apparatus, this distance represented on the horizontal axis in logarithmic scale, and of the angular velocity, represented on the vertical axis in RPM, taken experimentally with the machine described in the previous paragraph.
  • Sensors IMU
  • the resulting angular velocity of the complete system is represented on the vertical axis.
  • the graph represents different values of effective gravity obtained at a certain distance from the center of the mechatronic system (x axis) as a function of the angular velocity of the system.
  • microgravity levels of the order of G / 10 5 are achieved at distances of 10 cm from the center point of the machine.
  • FIG. 5A shows the crystals obtained at the end of the tests (tubes G and M).
  • Figure 5B shows the dry crystals obtained in the G and M tubes.
  • Figure 5C shows the crystals formed under simulated microgravity conditions (tube M).
  • Figure 5D shows the crystals formed under conditions of normal gravity (tube G).
  • a mechatronic system such as the one outlined in Figures 1 A-1 C has also been manufactured, designed to subject controlled microgravity to humans, which has been designed to function correctly with seat loads 60 greater than 50 kg, such as larger 75 kg, up to 150kg. Before its manufacture, it was simulated with a weight of 250 Kg and the volume of a person 1, 80 m high and 70 Kg in weight. In order to generate constant microgravity in a person of this weight, the entire structure, engines and other elements have been properly sized. In a specific implementation, machine 1 has been designed, in which three corresponding rotating frames and axes of rotation are arranged on an iron structure, with 3670 servo motors, nominal torque of 12 Nm and nominal speed of 3000 rpm each. 50: 1 planetary reduction gears with a nominal output torque of 650 N.m at a speed of 3000 rpm each, so the theoretical speed of each motor can vary from 0 to 60 rpm (1 lap per second maximum).
  • the period of movement or oscillation period of a sample can be calculated.
  • the angular velocity of the microgravity sample can be measured at different points of the sample (which vary with respect to the center point of the machine) by means of an encoder located in the sample, moving the encoder to different points of the sample , to see how the angular velocity of the sample varies when submitted to the system.
  • the mechatronic system implemented as a three-dimensional clinostat allows the simulation on land of a simulated microgravity environment and provides a level of microgravity combined with a generation of instability that does not allow living organisms to study adapt to the micrograte simulated truth.
  • the means intended to accommodate the sample bear a load of around 150 kg.
  • the applications of the present invention include investigations of materials subject to microgravity and changes in the molecular structure of living organisms, among others.
  • the system of the invention has been tested experimentally, both with living and inert organisms.
  • control logic can be executed to limit the aforementioned rotation to a certain number N of previously indicated degrees of freedom and N axes of rotation.
  • N 2
  • the motor (s) that drive one of the axles be turned off, preventing the movement of the respective rotating body on said axis.
  • N> 2 that is, at least 3 axes of rotation
  • microgravity can be achieved with a single axis of rotation, or with two axes of rotation, the organism introduced inside it and subjected to microgravity would stabilize very quickly. That is, it has been observed that the higher N, the more random the system. In other words, the number N of rotation axes influences the resulting randomness.
  • the present disclosure provides two differential factors with respect to conventional clinostats: a) a more effective instability that allows to extend the duration of the experiments, by not allowing the sample, in case this is a living organism, adapting to the simulated microgravity environment; and b) the possibility of introducing high loads, such as greater than 50 kg, or greater than 75 kg, of up to 150 kg, without the effect of simulated microgravity being affected.
  • the term “approximately” and terms of your family should be construed as indicating values very close to those accompanying said term. That is, a deviation within reasonable limits with respect to an exact value should be accepted, because a person skilled in the art will understand that such deviation from the indicated values can be inevitable due to inaccuracies of measurement, etc. The same applies to the terms “ones”, “around” and “substantially”.

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Abstract

Un aparato (1) para la generación de microgravedad, que comprende: un primer cuerpo giratorio (12) para girar alrededor de un primer eje (12a), accionado por un primer medio de accionamiento (24), un medio (60) para albergar una muestracircunscrito en el primer cuerpo giratorio (12), un segundo cuerpo giratorio (11) para girar alrededor de un segundo eje (11a) accionadopor un segundo medio de accionamiento (23) y dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el segundo cuerpo giratorio (11), un tercer cuerpo giratorio (10) para girar alrededor de un tercer eje (10a) accionado por un tercer medio de accionamiento (21, 22) y dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el tercer cuerpo giratorio (10). El primer, segundo y tercer medios de accionamiento son independientes entre sí, siendo el giro de cada eje independiente del giro de los otros ejes. La rotación de dichos cuerpos giratorios genera un nivel de microgravedad simulada en el medio para albergar una muestra. El aparato comprende un medio de procesamiento para controlar el giro de cada eje mediante la aplicación, en cada eje, de un valor pseudo- aleatorio de velocidad de giro durante un valor pseudo-aleatorio de tiempo, consiguiéndose un efecto de inestabilidad para evitar que la muestra albergada en dicho medio se adapte a la microgravedad simulada generada por el aparato (1).

Description

APARATO Y MÉTODO PARA LA GENERACIÓN DE MICROGRAVEDAD CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención pertenece al campo de los sistemas para la generación de microgra vedad, aplicables tanto a organismos o seres vivos como a seres inertes, tales como diversos materiales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los clinostatos, también conocidos como Random Position Machines, son máquinas que consisten en hacer girar de forma regular un objeto para provocar una variación constante del vector gravitatorio (en concreto, tratar de minimizar el efecto de dicho vector) con respecto a una muestra en torno al eje de rotación. Los clinostatos suelen tener un único eje de giro, en cuyo caso permiten estudiar respuestas en el plano de giro, o dos ejes de giro, que permiten generar una enorme variedad de condiciones experimentales. Así, a la muestra se le aplican una serie de fuerzas aleatorias para conseguir un nivel de microgravedad simulada cercano a cero. Los clinostatos pueden usarse, por ejemplo, para estudiar los efectos de la microgravedad en cultivos celulares. También se prevé su uso en el estudio de la evolución del cáncer (véase por ejemplo Becker JL1 , Souza GR. Using space-based investigations to inform cáncer research on Earth. Nat Rev Cáncer. 2013 May;13(5):315-27.), ya que estudios realizados en entornos próximos a la gravedad cero real (microgravedad) han demostrado ejercer efectos importantes a nivel celular y molecular (véase por ejemplo Sahebi R. et al., 2017: The role of microgravity in cáncer -a dual edge sword) o en el estudio de otras enfermedades o alteraciones experimentadas por astronautas, asociadas al entorno en que viven durante sus viajes espaciales (véase por ejemplo Helder Marcal, Brendan P. Burns, Elizabeth Blaber. A Human Mission to Mars: A Bioastronautics Analysis of Biomedical Risks. Journal of Cosmology, 2010, Vol 12, 3748- 3757). También ha sido descrito el efecto de la microgravedad en la inhibición de la troponina (véase Akira Higashibata, Toko Hashizume, Kanako Nemoto, Nahoko Higashitani, Timothy Etheridge, Chihiro Morí, Shunsuke Harada, Tomoko Sugimoto, Nathaniel J Szewczyk, Shoji A Baba, Yoshihiro Mogami, Keiji Fukui & Atsushi Higashitani. Microgravity elicits reproducible alterations in cytoskeletal and metabolic gene and protein expression in space-flown Caenorhabditis elegans. npj Microgravity volume 2, Article number: 15022 (2016) o también Shen H, Lim C, Schwartz AG, Andreev-Andrievskiy A, Deymier AC, Thomopoulos S. Effects of spaceflight on the muscles of the murine shoulder. FASEB J. 2017 Dec;31 (12):5466-5477. doi: 10.1096/fj.201700320R. Epub 2017 Aug 17.), marcador identificado como causante de las contracturas musculares. En cuanto a la evolución del cáncer, investigaciones realizadas en modelos celulares de cáncer confirman que la microgravedad altera el comportamiento de las células, induciendo la muerte celular programada o apoptosis (Vidyasekar P et al., 2015: Genome wide expression profiling of cáncer cell Unes cultured in microgravity reveáis significant dysregulation of cell cycle and MicroRNA gene networks; Pisanu ME et al., 2014: Lung cáncer stem cell loss their stemness default State after exposure to microgravity), inhibiendo el crecimiento y la proliferación de células de cáncer (Kim YJ et al., 2017: Time-averaged simulated microgravity (taSMG) inhibit proliferation of limphoma cells, L540 and HDLM-2, using a 3D clinostat; Zhao T et al., 2016: Simulated microgravity promotes cell apoptosis through suppressing Uev1A/TICAM/TRAF/NF^-Regulated anti-apoptosis and p53/PCNA- and ATM/ATR-Chk1/2 - Controlled DNA- damage response pathways) y alterando las proteínas y los genes implicados en el ciclo celular, de modo que la microgravedad previene la proliferación de las células cancerígenas y la formación de colonias esféricas. Asimismo, se ha demostrado un efecto modulador de la microgravedad sobre la expresión de genes en cáncer, aunque este efecto varía en función del modelo celular de cáncer estudiado, tal y como se ha evidenciado en diversos estudios, tales como en el citado de Sahebi R. et al. Por otro lado, se ha demostrado que la microgravedad puede aumentar la respuesta a los fármacos en cánceres como el linfoma de células B, cáncer de hígado, cáncer de mama y de pulmón (Mukhopadyay S et al., 2016: A systems biology pipeline identifies new inmune and disease related molecular signatures and networks in human cells during microgravity exposure).
En lo que respecta al efecto del entorno en los astronautas, se han realizado estudios en entornos de falta de gravedad con la finalidad de conocer los riesgos a los que los astronautas se exponen en sus viajes espaciales. Los vuelos espaciales han demostrado que la falta de gravedad puede ejercer efectos a diferentes niveles como: en el sistema cardiovascular (Otsuka K et al., 2016: Long-term exposure to space’s microgravity alters the time structure of heart rate variability of astronauts); en el sistema neurológico (Caprihan A et al., 1999: Effect of head-down tilt on brain water distribution; Kawai Yet al. 2003: Effects of microgravity on cerebral hemodynamics; Iwasaki K, et al. 2007: Human cerebral autoregulation before, during and after spaceflight; Li Ke et al., 2015: Effect of simulated microgravity on human brain gray matter and white matter-evidence from MRI); en el sistema musculoesquelético (Lang T et al., 2017: Towards human exploration of space-the THESEUS review series on muscle and bone research priorities); y en el sistema inmunitario (Mudhopadhyay S et al., 2016: A systems biology pipeline identifies new inmune and disease related molecular signatures and networks in human cells during microgravity exposure). En la ISS Estación Espacial Internacional se ha llevado a cabo, por ejemplo, un experimento en el que sea analizado la expresión genética de pupas de moscas de la fruta que han sido sometidas a microgravedad (véase Raúl Herranz, Alberto Benguría, David A. Laván, Irene López-Vidriero, Gilbert Gasset, F. Javier Medina, Jack J. W. A. Van Loon, and Roberto Marco. “Spaceflight-related suboptimal conditions can accentuate the altered gravity response of Drosophila transcriptome”. Molecular Ecology. Volume.: 19 pp (4255 - 42664). 31/108/2010, Raúl Herranz, David A. Laván, F. Javier Medina, Jack J. W. A. van Loon and Roberto Marco.“Drosophila Gen Experiment in the Spanish Soyuz Mission to the ISS: II Efects of the Containment Constraints” Microgravity Science and Technology. Volume 21 pp (299 - 304) 04/1 1/2009. Netherlands, Herranz, R. Lavan, D.A. Benguría, A. Duque, P. Leandro, L.J. Gasset, G. Medina, F.J. van Loon, J. Marco, R. "Gene" Experiment in the Spanish Soyuz Mission to the ISS. Effects of the coid transportation step”. Microgravity Science and Technology. Volume: 19 pp (196 - 200) 2007. Netherlands , L.J. Leandro, N.J. Szewczyk, A. Benguría, R. Herranz, D. Laván, F.J. Medina, G. Gasset, J. van Loon, C.A. Conley and R. Marco. “Comparative analysis of Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans gene expression experiments in the European Soyuz flights to the International Space Station” Advances in Space Research). El experimento se realizó aplicando un tratamiento previo en frío a 14°C durante la etapa larvaria. La etapa de sometimiento a microgravedad se realizó a 23 °C.
El principal problema de realizar experimentos en condiciones de microgravedad radica en la dificultad y elevado coste del desarrollo y ejecución de los experimentos en tales condiciones, para lo que se requiere un satélite en órbita o las instalaciones de la Estación Espacial Internacional (ISS) (véase por ejemplo Setlow RB, 2003: The hazards of space travel; o Herranz R et al., 2013: Ground-based facilities for simulation of microgravity- organism-specific recommendations for their use, and recommended terminology). Para superar este problema, se han desarrollado diferentes tipos de simuladores de microgravedad, tales como el Clinostat 3-D, de dos grados de libertad obtenidos mediante dos ejes de rotación colocados en ángulos rectos. La rotación, generada por dos motores, es controlada mediante codificadores conectados a un ordenador. Este clinostato se describe, por ejemplo, además de en la citada referencia de Herranz R et al., en van Loon, 2007: Some history and use of the random positioning machine, RPM, in gravity related research; y en Wuest SL et al., 2015: Simulated microgravity- critical review on the use of random positioning machines for mammalian cell culture. A su vez, Jack J.W.A.van Loon ha descrito la relación entre la velocidad angular promedio de un eje de giro de un clinostato con la gravedad efectiva obtenida a una determinada distancia del centro del mismo (véase Jack J.W.A.van Loon. Some history and use of the random positioning machine, RPM, in gravity related research. Advances in Space Research. Volume 39, Issue 7, 2007, Pages 1 161 -1 165).
La solicitud de patente US2016/0103454A1 divulga un aparato para el control de la gravedad formado por dos marcos o estructuras rotativas dispuestas sobre un soporte. Uno de los marcos está situado en el espacio interior definido por el otro marco. Cada marco rota a lo largo de un eje respectivo, siendo estos ejes ortogonales entre sí.
La solicitud de patente US2016/0163218A1 divulga un aparato para simular dinámicas rotacionales con 3 grados de libertad en naves espaciales sin límite en el máximo ángulo de rotación posible gracias a una estructura gimbal externa en cuyo interior se introduce una carga y un cojinete de aire esférico que puede rotar con libertad en 4p estereorradianes.
La solicitud de patente US2003/041800A1 divulga un aparato para simular microgravedad en muestras y cultivos celulares, basado en dos marcos o estructuras en cuyo interior se sitúa un recipiente que alberga la muestra. Cada marco rota en torno a un eje, haciendo por tanto girar el recipiente con la muestra. El aparato permite aportar un suministro de fluido a las muestras durante las simulaciones de microgravedad.
Uno de los inconvenientes que se ha observado en los clinostatos convencionales usados para la aplicación de microgravedad a un cuerpo, especialmente vivo, se relaciona con los efectos de la microgravedad en seres vivos de masa elevada, ya que a mayor masa, se requiere mayor velocidad para sentir el efecto de la microgravedad (véase por ejemplo Hoson T1 , Kamisaka S, Masuda Y, Yamashita M, Buchen B.Evaluation of the three- dimensional clinostat as a simulator of weightlessness. Planta. 1997;203 Suppl:S187-97). Asimismo, el efecto de la microgravedad es diferente en función del tamaño del ser vivo en cuanto a que los seres vivos de pequeño tamaño se adaptan más fácilmente que los seres más complejos, como ha reportado por ejemplo Anken R, 2013; Simulation of microgravity for studies in gravitational biology- Principies, devices and applications. El concepto de clinostatos de rotación rápida ya fue introducido por Briegleb (Briegleb W, 1992: Some qualitative and quantitative aspects of the fast-rotating clinostat as a research tool) para conseguir ingravidez funcional en objetos pequeños, principalmente células individuales y citado por Herranz et al. en la publicación anteriormente referenciada. Este concepto ha sido posteriormente corroborado, por ejemplo, por Klaus DM et al. (Klaus DM et al., 2001 : Functional weightlessness during clinorotation of cell suspensions).
Otro de los inconvenientes observados en los clinostatos convencionales usados para la aplicación de microgravedad a seres vivos, es la tendencia de éstos a adaptarse a la microgravedad generada por el clinostato. Dicho con otras palabras, la predictibilidad de rotación en los clinostatos convencionales hace que los organismos vivos sometidos a microgra vedad en estos clinostatos tiendan a estabilizarse, perdiéndose el efecto de la microgra vedad. Cuando esto ocurre, es preciso variar manualmente los parámetros de funcionamiento, o incluso reiniciar la máquina, para volver a inestabilizar la muestra. Además, se ha observado que cuanto mayor es el tamaño de la muestra sometida a los efectos del clinostato, mayor es la capacidad de adaptación de la muestra a las fuerzas generadas para eliminar el efecto de la gravedad. Este proceso de adaptación a la microgravedad en organismos vivos con el tiempo ha sido demostrado en varios estudios (Uva BM et al., 2002: Microgravity-induced apoptosis in cultured glial cells. Eur.J. Histochem; Thiel Cora S. et al., 2017: Rapid adaptation to microgravity in mammalian macrophage cells. Scientific Reports; Kordyum EL, 2014: Plant cell gravisensity and adaptation to microgravity. Plant Biology).
Por tanto, existe la necesidad de conseguir un clinostato que proporcione un nivel de microgravedad constante y a la vez proporcione suficiente inestabilidad a la muestra (por ejemplo, organismo vivo) sometido a los efectos del clinostato, para evitar que dicha muestra asimile las fuerzas soportadas y vuelva a aparecer el efecto de la gravedad. Con otras palabras, es necesario un clinostato en el que se pueda aplicar esa inestabilidad de forma continuada. Adicionalmente, existe la necesidad de conseguir un clinostato que no solo proporcione a una muestra un nivel de microgravedad constante y suficiente inestabilidad para mantener el nivel de microgravedad, sino que además pueda aplicarse a muestras de tamaño mayor al conseguido con clinostatos convencionales.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente divulgación proporciona un nuevo aparato y método de generación de microgravedad que tratan de resolver los inconvenientes de los aparatos y métodos de generación de microgravedad del estado de la técnica.
La invención proporciona un sistema mecatrónico de N grados de libertad, siendo N un número natural mayor de 2 (N>2), que genera entornos de microgravedad. El sistema mecatrónico está estructurado físicamente como un clinostato tridimensional (3D). El sistema mecatrónico comprende N ejes de rotación que proporcionan los N grados de libertad. Los N ejes de rotación se controlan de manera independiente mediante medios de accionamiento, tales como motores. La rotación de estos ejes provoca un nivel de microgravedad simulada constante (próximo a 0, por ejemplo un nivel menor de G/100, tal como menor de G/1000, o menor de G/104, o menor de G/105, o menor de G/106 o menor de G/107) y estable en un área central del sistema mecatrónico (también referido en adelante como máquina o aparato para generación de microgravedad). En el contexto de la presente divulgación, se entiende por grados de libertad el número mínimo de velocidades generalizadas independientes necesarias para definir el estado cinemático del mecanismo o sistema mecánico. El término“generalizadas" hace referencia a las coordenadas, tales como velocidades, por ejemplo velocidades angulares, que describen el estado del sistema al que se aluda. El número de grados de libertad coincide con el número de ecuaciones necesarias para describir el movimiento.
La muestra que se va a someter a microgravedad simulada se aloja en el área central del aparato. Esta área central en la que el nivel de microgravedad es constante y estable, es variable en función de la dimensión del aparato. El espacio central del aparato tiene capacidad de albergar a cuerpos, tales como seres vivos u objetos. En realizaciones de la invención, el aparato se diseña para albergar a seres humanos, en cuyo caso tiene una capacidad de carga (masa de la muestra) mayor de 50 kg, tal como mayor de 75 kg, o mayor de 100 Kg, de hasta unos 150 kg. La capacidad de carga máxima está determinada por la estructura mecánica y los motores (por ejemplo, su potencia), que deben elegirse y dimensionarse de acuerdo con la carga que se desee albergar y someter a microgravedad. Este espacio central destinado a albergar a seres vivos u objetos puede implementarse mediante diversas configuraciones, tales como mediante un asiento, principalmente cuando se trata de albergar un ser humano, o mediante útiles de fijación de equipos o piezas.
La muestra o cuerpo que se va a someter a microgravedad en el sistema mecatrónico puede ser un ser vivo o un ser inerte. Ejemplos no limitativos de seres vivos que pueden albergarse en el sistema mecatrónico de la presente divulgación son seres humanos, animales, plantas, microorganismos, diferentes modelos celulares, etc. El sistema mecatrónico de la presente divulgación es especialmente ventajoso para someter a microgravedad a seres vivos, debido a su capacidad de proporcionar un nivel de microgravedad constante a la vez que suficiente inestabilidad de forma continuada a la muestra sometida a los efectos del clinostato, evitando así que la muestra asimile las fuerzas soportadas y vuelva a aparecer el efecto de la gravedad.
El aparato para generar microgravedad está formado por elementos mecánicos, tales como una estructura soporte, una pluralidad de anillos, marcos o cuerpos giratorios y uno o más medios de giro y acoplamientos que proporcionan N grados de libertad mediante N ejes de rotación (N>2). El aparato puede incluir también uno o más encoders y/o elementos de protección, entre otros elementos mecánicos. El aparato también está formado por elementos eléctricos/electrónicos. A modo de ejemplo, incluye uno o más motores (por ejemplo, tantos como sean necesarios para mover los anillos o marcos que determinan los ejes de rotación), reductores de motor, sensores, medios de procesado, tales como microprocesadores, un sistema de control basado, por ejemplo, en PLCs y medios de comunicación para el intercambio de datos/información, entre otros elementos. La incorporación de sensores permite recopilar datos durante el uso del aparato. El aparato puede incluir también medios de almacenamiento, tales como memorias, por ejemplo para dar soporte a los medios de procesado, almacenando software con instrucciones que son ejecutadas en los medios de procesado.
En realizaciones de la invención, el sistema mecatrónico se implementa mediante N=3 ejes de rotación, lo que garantiza N=3 grados de libertad. Aumentando el número de ejes de rotación, por ejemplo aumentando el número de anillos o marcos y de medios de giro, pueden aumentarse los grados de libertad, por ejemplo a N=4 (usando 4 anillos y uno o más motores para hacerlo girar), a N= 5 (usando otro anillo adicional y uno o más motores para hacerlo girar) o a N=6 (usando otro anillo adicional y uno o más motores para hacerlo girar).
El movimiento de cada uno de los ejes giratorios del sistema se controla mediante unos medios de control que incluyen un software (conjunto de programas e instrucciones informáticos) que se alberga en un medio de procesado, que puede estar anexo al sistema mecatrónico o remoto con respecto al mismo. Es decir, los medios de control de la máquina comprenden unos medios de procesado en los que se ejecuta dicho software. Los medios de control comprenden también medios de almacenamiento, tales como memorias, por ejemplo para dar soporte a los medios de procesado, almacenando software con instrucciones que son ejecutadas en los medios de procesado.
El aparato para generar microgravedad puede incluir también un sistema de gestión, para, entre otros aspectos, identificar el cuerpo, objeto o ser vivo que se va a someter a microgravedad, para alinearlo con su proceso y monitorizarlo de forma continua; y/o para la parametrización del funcionamiento del aparato (arranque, parada, criterios de funcionamiento, criterios de seguridad en uso, etc.); y/o para la configuración técnica y operativa del sistema (por ejemplo, algoritmos y gestión funcional oculta); y/o para ofrecer una plataforma o interfaz de usuario que proporcione servicios, tales como asistencia y monitorización remota (por ejemplo en tiempo real) y/o gestión inteligente de procesos y datos, entre otros. Un panel de control (interfaz de usuario) puede controlarse de forma remota en tiempo real. En realizaciones de la invención, el panel de control dispone de órdenes de arranque y parada automática cuando alguno de los valores adquiridos llegue a los niveles marcados como límite, previamente calculados.
Debido al movimiento de rotación generado, el objeto u organismo a estudiar puede rotar en todas las direcciones. En realizaciones de la invención, en función de la necesidad y capacidad de la muestra, se pueden ejecutar lógicas de control para limitar dicha rotación a un número máximo de grados de inclinación. Por ejemplo, en el caso de que el cuerpo alojado en el aparato sea una persona, en función de la aplicación, se puede limitar la inclinación a que se somete el habitáculo en el que la persona se aloja. Por ejemplo, puede limitarse la inclinación de forma que la persona nunca se quede boca abajo. Por ejemplo dependiendo de la edad y estado de salud de la persona, puede limitarse la inclinación en cualquiera de los ejes de giro a un máximo de 90e con respecto a la vertical. Alternativamente, puede limitarse la inclinación en cualquiera de los ejes de giro a un máximo de 150e con respecto a la vertical, por ejemplo a un máximo de 120e o a un máximo de 100e. Esta rotación se genera a través de la fuerza de los motores acoplados a la máquina, cuyos pares son suficientes para movilizar toda la estructura de la máquina, incluida la muestra o cuerpo (ser vivo u objeto) que se coloque en la zona central. Para facilitar el control del movimiento de rotación, velocidad y sentido de giro de cada uno de los ejes de rotación, se puede utilizar un panel de control (interfaz de usuario) que puede controlarse de forma remota en tiempo real.
Como se ha adelantado, el aparato para generar microgravedad está diseñado para albergar diferentes objetos y seres vivos que, en uso del sistema, giran alrededor de N ejes de rotación (N>2), viéndose sometidos a valores controlados de gravedad de forma sustancialmente constante y con un grado suficiente de inestabilidad aplicada de forma continuada. Los objetos y seres vivos se ven por tanto sometidos a procesos o actividades diferentes en función de diversos aspectos, tales como el nivel de gravedad que se quiere aplicar sobre el objeto o ser vivo o la duración temporal de la exposición a microgravedad que experimenten. Estas actividades pueden tener diferente naturaleza, siempre buscando el efecto que la gravedad o su ausencia genera en los objetos o seres vivos. En función de la actividad y características del ser que va a someterse a dicha actividad, se diseñará un protocolo de funcionamiento específico a cada situación. Ejemplos de estas actividades son: investigaciones científicas relacionadas con el efecto de la microgravedad sobre seres vivos y objetos; tratamientos terapéuticos aplicados a seres vivos; o actividades de entretenimiento y ocio para seres vivos. Además, especialmente cuando la máquina alberga seres vivos para ser sometidos al efecto de la gravedad o su ausencia, se aplica un efecto de inestabilidad, para evitar que dichos seres vivos se adapten a la microgravedad simulada que el aparato genera.
En función de la aplicación que se le dé al aparato para generar microgravedad, éste podrá incorporar otros elementos necesarios para dicha aplicación, tales como microscopios, por ejemplo microscopios de fluorescencia, elementos para favorecer la ejecución de ejercicios de movilidad dentro de la propia máquina, equipos de biología molecular, tales como PCR en tiempo real, equipos de pinzas ópticas para medir los efectos de elongación de proteínas y, gracias a las dimensiones de la máquina de microgravedad de la presente divulgación, cualquier otro equipo necesario para una investigación.
En un primer aspecto de la presente divulgación, se proporciona un aparato para la generación de microgravedad, que comprende un primer cuerpo giratorio configurado para girar alrededor de un primer eje mediante el accionamiento de un primer medio de accionamiento, un medio para albergar una muestra, estando el medio circunscrito en el primer cuerpo giratorio y conectado al primer cuerpo giratorio, un segundo cuerpo giratorio configurado para girar alrededor de un segundo eje mediante el accionamiento de un segundo medio de accionamiento, estando el primer cuerpo giratorio dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el segundo cuerpo giratorio cuando gira alrededor de dicho segundo eje y conectado al segundo cuerpo giratorio, y un tercer cuerpo giratorio configurado para girar alrededor de un tercer eje mediante el accionamiento de un tercer medio de accionamiento. El segundo cuerpo giratorio está dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el tercer cuerpo giratorio cuando gira alrededor del tercer eje y conectado al tercer cuerpo giratorio. Los primer, segundo y tercer medios de accionamiento son independientes entre sí, siendo el giro de cada eje independiente del giro de los otros ejes. La rotación de dichos cuerpos giratorios genera un nivel de microgravedad simulada en dicho medio para albergar una muestra. El aparato comprende también un medio de procesamiento configurado para controlar el giro de cada uno de dichos ejes mediante la aplicación, en cada uno de dichos ejes, de un valor pseudo-aleatorio de velocidad de giro que varía entre un valor mínimo vminJ y un valor máximo vmax previamente establecidos para cada eje i, durante un valor pseudo-aleatorio de tiempo que varía entre un valor mínimo t minj y un valor máximo \maxJ previamente establecidos para cada eje i. Se consigue así un efecto de inestabilidad para evitar que la muestra albergada en dicho medio se adapte a la microgravedad simulada generada por el aparato. Esto es especialmente destacable en el caso de que la muestra sea un ser vivo.
En realizaciones de la invención, en cada eje, dicho valor mínimo vm/n ,_¡ se determina como un porcentaje de una velocidad angular promedio en dicho eje, donde dicha velocidad angular promedio se obtiene a partir de un nivel de microgravedad deseado y de una distancia con respecto al centro de dicho medio a la que debe conseguirse dicho nivel de microgravedad deseado.
En realizaciones de la invención, el primer, segundo y tercer cuerpos giratorios están soportados por una estructura fija dispuesta en una superficie de referencia.
En realizaciones de la invención, el medio para albergar una muestra es un asiento para que una persona se acomode en la parte central del aparato.
En realizaciones de la invención, el medio de procesamiento está configurado para limitar la inclinación de cada uno de los ejes con respecto a la vertical, a un valor máximo de grados de inclinación previamente establecido. Esta opción dependerá de la muestra albergada en el aparato. Cuando se trata de personas, dependerá por ejemplo de la aplicación para la que se use el aparato y/o de la edad y estado de salud de la persona.
En realizaciones de la invención, el valor pseudo-aleatorio de la velocidad de giro de cada uno de dichos ejes se calcula como sigue, para cada eje i: Velocidad de giro del eje i v¡ (Rpm) = (vmax j - vm¡nj )*rand() + vm/n ,_¡ , siendo randQ una función que genera un valor real pseudo-aleatorio entre 0,0 y 1 ,0, vmax_,· la velocidad máxima de giro del eje i y vm/n ,_¡ la velocidad mínima de giro del eje i; y dicho valor pseudo-aleatorio de tiempo durante el cual cada eje i gira a la velocidad de giro calculada, se calcula como sigue: Tiempo para cambio velocidad eje i t¡ (s) = (tmax_¡ - tm/n J*rand() + t m¡nJ , siendo randQ la misma función anterior, tmax / el tiempo máximo para que se produzca un cambio de velocidad de giro del eje i y t m¡nJ el tiempo mínimo para que se produzca un cambio de velocidad de giro del eje i.
De esta manera, se puede elegir los valores de velocidad angular aleatorios para determinados valores de microgravedad, para una posición respecto al centro del sistema.
En realizaciones de la invención, el medio de procesamiento está configurado para controlar el sentido del giro de cada uno de dichos ejes mediante la aplicación de un cambio de sentido en cada eje i cada vez que transcurre un tiempo cuyo valor es un valor pseudo- aleatorio que varía entre un valor mínimo t_Dir min i y un valor máximo t_Dir max_i previamente establecidos para cada eje i. Este valor pseudo-aleatorio de tiempo para aplicar un cambio de sentido en cada uno de dichos ejes puede calcularse como sigue, para cada eje i: t_Dir_i = (t_Dir_max_i - t Dir min i)* rand() + t_Dir_min_i , siendo randQ una función que genera un valor real aleatorio o pseudo-aleatorio entre 0,0 y 1 ,0, t_Dir_max_i e I tiempo máximo para cambio de sentido en el eje i y t_Dir_min_i el tiempo mínimo para cambio de sentido en el eje i, donde dicho cambio de sentido provoca un nuevo cálculo de la velocidad de giro del eje i v¡ y un nuevo cálculo del tiempo para el cambio de velocidad t¡.
En realizaciones de la invención, el medio de procesamiento está configurado para imponer un valor máximo de tiempo en el que un eje i gira a una misma velocidad.
En realizaciones de la invención, el aparato comprende un panel de control configurado para controlar al menos uno de los siguientes parámetros: velocidad de cada uno de los ejes de rotación v¡, sentido del movimiento de cada eje de rotación y valor máximo de tiempo en el que un eje i gira a una misma velocidad t¡.
En un segundo aspecto de la presente divulgación, se proporciona un método para la generación de microgravedad simulada mediante un aparato que comprende un primer cuerpo giratorio configurado para girar alrededor de un primer eje, mediante el accionamiento de un primer medio de accionamiento; un medio para albergar una muestra, estando el medio circunscrito en el primer cuerpo giratorio y conectado al primer cuerpo giratorio; un segundo cuerpo giratorio configurado para girar alrededor de un segundo eje mediante el accionamiento de un segundo medio de accionamiento, estando el primer cuerpo giratorio dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el segundo cuerpo giratorio cuando gira alrededor de dicho segundo eje y conectado al segundo cuerpo giratorio; y un tercer cuerpo giratorio configurado para girar alrededor de un tercer eje mediante el accionamiento de un tercer medio de accionamiento, estando el segundo cuerpo giratorio dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el tercer cuerpo giratorio cuando gira alrededor del tercer eje y conectado al tercer cuerpo giratorio, en el que dichos primer, segundo y tercer medios de accionamiento son independientes entre sí. El método comprende: hacer girar dichos primer, segundo y tercer cuerpos giratorios en torno a dichos ejes mediante el accionamiento independiente de dichos primer, segundo y tercer medios de accionamiento; controlar el giro de cada uno de los ejes mediante la aplicación, en cada uno de dichos ejes, de un valor pseudo-aleatorio de velocidad de giro v¡ que varía entre un valor mínimo vminJ y un valor máximo vmax_,· previamente establecidos para cada eje i, durante un valor pseudo-aleatorio de tiempo t¡ que varía entre un valor mínimo \m¡nJ y un valor máximo tmax_¿ previamente establecidos para cada eje i.
En realizaciones de la invención, para cada eje, el valor mínimo vm/n , de velocidad de giro se obtiene como sigue: calcular una velocidad angular a la que debe girar dicho eje para conseguir un determinado nivel de microgravedad a una determinada distancia con respecto al centro de dicho medio, y calcular un porcentaje de dicha velocidad angular, siendo dicho porcentaje el valor mínimo vm¡nJ.
En realizaciones de la invención, el valor pseudo-aleatorio de la velocidad de giro de cada uno de dichos ejes se calcula como sigue, para cada eje i: Velocidad de giro del eje i v¡ (Rpm) = (vmax j - vm/n J*rand() + vm/n , , siendo randQ una función que genera un valor real pseudo-aleatorio entre 0,0 y 1 ,0, vmax_,· la velocidad máxima de giro del eje i y vm/n ,_¡ la velocidad mínima de giro del eje i; y el valor pseudo-aleatorio de tiempo durante el cual cada eje i gira a la velocidad de giro calculada, se calcula como sigue: Tiempo para cambio velocidad eje i t¡ (s) = (tmax_¡ - tm/n J*rand() + t m¡nJ , siendo randQ la misma función anterior, tmax / el tiempo máximo para que se produzca un cambio de velocidad manteniendo el sentido de giro del eje i y tm/n _,· el tiempo mínimo para que se produzca un cambio de velocidad manteniendo el sentido de giro del eje i.
En realizaciones de la invención, el método comprende además controlar el sentido del giro de cada uno de dichos ejes mediante la aplicación de un cambio de sentido en cada eje i cada vez que transcurre un tiempo cuyo valor es un valor pseudo-aleatorio que varía entre un valor mínimo t_Dir min i y un valor máximo t_Dir max_i previamente establecidos para cada eje i.
En realizaciones de la invención, el valor pseudo-aleatorio de tiempo para aplicar un cambio de sentido en cada uno de dichos ejes se calcula como sigue, para cada eje i: t_Dir_i = (t_Dir_max_i - t_Dir_min_i)* rand() + t_Dir_min_i , siendo randQ una función que genera un valor real aleatorio o pseudo-aleatorio entre 0,0 y 1 ,0, t_Dir_max_i el tiempo máximo para cambio de sentido en el eje i y t_Dir_min_i el tiempo mínimo para cambio de sentido en el eje i, donde dicho cambio de sentido provoca un nuevo cálculo de la velocidad de giro del eje i y un nuevo cálculo del tiempo para el cambio de velocidad.
En un tercer aspecto de la presente divulgación, se proporciona un programa informático que comprende instrucciones de código de programa de ordenador para realizar el método descrito anteriormente.
En un cuarto aspecto de la presente divulgación, se proporciona un soporte /medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código / instrucciones de programa, para realizar el método descrito anteriormente.
Una de las aplicaciones del aparato para generar microgravedad de la presente divulgación está en el tratamiento terapéutico del cáncer, dada la capacidad del aparato de inhibir células cancerígenas a través de la creación del entorno de microgravedad, ya que la microgravedad simulada provoca la apoptosis de células cancerígenas a través de la inhibición de la expresión genética de los genes causantes del desarrollo tumoral. Es decir, el aparato de la presente divulgación proporciona un entorno de microgravedad que favorece la inhibición de proteínas marcadas como reguladores tumorales.
Otra de las aplicaciones del aparato para generar microgravedad de la presente divulgación está en el tratamiento terapéutico de lesiones musculares, dada la capacidad del aparato de conseguir la relajación muscular gracias a la inhibición de la troponina, marcador identificado como causante de las contracturas musculares. Es decir, el aparato de la presente divulgación proporciona un entorno de microgravedad que favorece la inhibición de proteínas generadoras de contracturas y lesiones musculares.
Otra de las aplicaciones del aparato para generar microgravedad de la presente divulgación está en el campo del ocio y tiempo libre, dada su capacidad para hacer sentir al usuario una sensación de ingravidez. En realizaciones de la invención, el aparato se combina con equipamiento de realidad virtual para que el usuario disfrute, combinando la sensación de ingravidez con la realidad virtual, de una experiencia emocionante.
Ventajas y características adicionales de la invención serán evidentes a partir de la descripción en detalle que sigue y se señalarán en particular en las reivindicaciones adjuntas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de figuras en el que con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1A muestra una vista frontal de un esquema de un sistema mecatrónico para la generación de microgravedad de acuerdo con una posible realización de la invención.
La figura 1 B muestra una vista lateral del esquema de un sistema mecatrónico para la generación de microgravedad de la figura 1 A.
La figura 1 C muestra una vista lateral del esquema de un sistema mecatrónico para la generación de microgravedad de las figuras 1 A-1 B, en posición de rotación.
La figura 2 muestra un esquema de la estructura o plataforma fija que soporta los cuerpos giratorios del sistema mecatrónico de las figuras 1A-1 C.
La figura 3 ilustra un parámetro que representa el tiempo máximo en segundos que se permite a un eje accionado por uno o más motores girar a una misma velocidad previamente calculada. Esta velocidad se obtiene tras un tiempo de aceleración/deceleración.
La figura 4 muestra una gráfica en la que se representan los niveles de microgravedad conseguidos experimentalmente, en función de la distancia con respecto al punto central de la máquina y de la velocidad angular aplicada.
Las figuras 5A-5D ilustran un experimento llevado a cabo con una máquina de la invención. Se trata de cristalización de nitrato de potasio en microgravedad.
DESCRIPCIÓN DE UNA FORMA DE LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN
La descripción que sigue no debe tomarse en un sentido limitado, sino que se proporcionan solamente con el propósito de describir principios amplios de la invención. Las siguientes realizaciones de la invención se describirán a modo de ejemplo, con referencia a las figuras arriba citadas, que muestran aparatos y resultados de acuerdo con la invención.
Los esquemas ilustrados en las figuras 1A-1 C representan algunos de los elementos de un sistema o aparato para la generación de microgravedad 1 de acuerdo con una realización de la invención. El sistema 1 comprende un primer cuerpo o marco giratorio 10 configurado para girar alrededor de un primer eje 10a, un segundo cuerpo o marco giratorio 1 1 configurado para girar alrededor de un segundo eje 1 1 a y un tercer cuerpo o marco giratorio 12 configurado para girar alrededor de un tercer eje 12a. Como puede observarse, en esta realización, en reposo el primer eje 10a coincide con el tercer eje 12a. Es decir, los tres ejes de rotación 10a, 1 1 a, 12a son independientes entre sí, pero en reposo el primer eje 10a y el tercer eje 12a se alinean. El movimiento de cada eje es independiente del movimiento de los otros dos ejes. Los cuerpos giratorios 10, 1 1 , 12 están soportados por una estructura o plataforma fija 5 que se dispone sobre el suelo o superficie de referencia. Circunscrito en el tercer cuerpo o marco giratorio 12 se dispone uno medio para albergar la muestra o cuerpo que se vaya a someter a microgravedad. En la implementación ilustrada, el medio para albergar la muestra es un medio 60 adecuado para que una persona se acomode en la parte central del aparato 1 para que pueda ser sometida a la microgravedad generada por el aparato 1. El medio 60 es, por ejemplo, pero de forma no limitativa, un asiento 60. En el caso de que la muestra no sea una persona, el medio para albergar la muestra se sustituye por otro adecuado a la muestra, tal como unos medios de sujeción, un soporte, un contenedor cerrado, u otros. En la figura 1 , el asiento 60 está amarrado al tercer cuerpo giratorio 12 mediante medios de acoplamiento.
La figura 2 ilustra en detalle la estructura o plataforma fija 5 de acuerdo con una posible implementación de la invención. La estructura 5 tiene por dos piezas paralelas 51 , 52 en forma de V invertida. En cada pieza 51 , 52, cada vara o elemento 51 A, 51 B, 52A, 52B que forma la V invertida se une en un extremo con la otra vara o elemento que forma la V invertida respectiva. Esta unión se implementa mediante un elemento 51 C, 52C, que en la implementación ilustrada es una pieza trapezoidal. La estructura o plataforma fija 5 tiene también una pieza 54 diseñada para apoyarse sobre el suelo o superficie de apoyo. Cada uno de los cuatro extremos inferiores del conjunto formado por las dos piezas 51 , 52 (es decir, cada extremo libre de las varas o elementos 51 A, 51 B, 52A, 52B) está apoyado o conectado sobre un vértice respectivo de los cuatro vértices de la pieza 54 situada sobre el suelo (o superficie de apoyo). Esta pieza 54 está formada por cuatro lados paralelos dos a dos. La estructura 5 ilustrada tiene también dos travesaños 55, 56 paralelos entre sí y al plano de la superficie de apoyo. Cada travesaño 55, 56 conecta un elemento inclinado de la pieza 51 con el elemento inclinado respectivo de la pieza 52. La estructura 5 puede incluir también unas barras 57 para dar resistencia estructural a torsiones. Cada una de las 4 barras 57 ilustradas tiene un extremo conectado a un vértice de los cuatro vértices de la pieza 54. El otro extremo de cada barra 57 se conecta al otro extremo de las otras tres barras.
Volviendo a las figuras 1A-1 C, el primer cuerpo giratorio 10 está formado por un conjunto de elementos alargados que forman un perímetro cerrado. En esta realización, los elementos alargados forman un perímetro octogonal, aunque otras formas perimetrales diferentes son posibles. El primer cuerpo giratorio 10 gira en torno al eje de giro 10a accionado por medios de accionamiento, tales como uno o más motores. En la realización ilustrada, dos motores (o servomotores) 21 , 22, hacen girar el primer cuerpo giratorio 10 en torno al eje de giro 10a. Los motores 21 , 22 están situados en extremos opuestos del eje de giro 10a. Los motores 21 , 22 funcionan simultáneamente. En esta realización se han usado dos motores 21 , 22 por necesidades mecánicas. Los motores 21 , 22 actúan sobre el cuerpo giratorio 10 haciéndolo girar sobre el eje de giro 10a en cualquier de los dos sentidos (en la figura 1 B una flecha indica uno de los dos posibles sentidos de giro). Otros elementos del primer cuerpo giratorio 10 son reductores 31 , 32 de los motores para variar el par del respectivo motor, acoplamientos elásticos 41 , 42 para absorber vibraciones y colectores eléctricos 51 , 52. Con esta estructura, cuando los medios de accionamiento 21 , 22 del primer cuerpo giratorio 10 son accionados, el primer cuerpo giratorio 10 gira alrededor del primer eje de giro 10a. En otras realizaciones de la invención, el primer cuerpo giratorio 10 puede llevar un solo motor, situado en uno de los extremos del eje de giro 10a. Esto es posible cuando el aparato para la generación de microgravedad está diseñado para aplicaciones en que la muestra es de un peso reducido o moderado, como por ejemplo en el caso de microorganismos, células o plantas o animales pequeños. En la implementación ilustrada, diseñada para albergar a personas, el eje exterior 10a, que es el que soporta más peso, lleva dos motores 21 , 22 que funcionan simultáneamente.
El segundo cuerpo o marco giratorio 1 1 está configurado para girar alrededor de un segundo eje de giro 1 1 a perpendicular al primer eje de giro 10a. En la realización ilustrada, el segundo cuerpo giratorio 1 1 está formado por un conjunto de elementos alargados que forman un perímetro cerrado. En esta realización los elementos alargados forman un perímetro octogonal, aunque otras formas perimetrales diferentes son posibles. El segundo cuerpo giratorio 1 1 es de tamaño menor que el primer cuerpo giratorio 10, de forma que el segundo cuerpo giratorio 1 1 queda circunscrito en el primer cuerpo giratorio 10 o situado en el interior de un volumen definido por el primer cuerpo giratorio 10 cuando gira accionado por los medios de accionamiento correspondientes. El segundo cuerpo giratorio 1 1 está conectado al primer cuerpo giratorio 10 mediante un primer acoplamiento implementado mediante colectores eléctricos 53 (y acoplamientos elásticos, ejes y rodamientos) que conectan un lado 121 del segundo cuerpo giratorio 1 1 con un lado 1 1 1 del primer cuerpo giratorio 10 y un segundo acoplamiento mediante colectores eléctricos que conectan otro lado 122 del segundo cuerpo giratorio 1 1 con otro lado 1 12 del primer cuerpo giratorio 10. Estos acoplamientos conectan o sujetan entre sí el primer cuerpo giratorio 10 y el segundo cuerpo giratorio 1 1 pero permiten que los cuerpos 10, 1 1 giren sobre su eje respectivo. Los colectores eléctricos permiten los grados de giro que sean necesarios. Los colectores eléctricos permiten llevar señales eléctricas que puedan ser necesarias por ejemplo mediante bus de campo mediante el cableado correspondiente. Las citadas señales eléctricas pueden servir para dar potencia a los ejes para que alcancen la velocidad requerida y calculada por el software de control, como se explica más adelante, o para llevar señales de sensores para monitorización, etc.
El segundo cuerpo giratorio 1 1 gira en torno al eje de giro 1 1 a accionado por medios de accionamiento, tales como uno o más motores o servomotores. En la realización ilustrada, un motor 23 situado junto al lado 122 del cuerpo giratorio 1 1 hace girar el segundo cuerpo giratorio 1 1 en torno al eje de giro 1 1 a en cualquier de los dos sentidos (en la figura 1 B una flecha indica uno de los dos posibles sentidos de giro). El motor 23 está situado en el eje de giro 1 1 a. Otros elementos del segundo cuerpo giratorio 1 1 son un reductor 33 del motor 23 y un acoplamiento elástico 43. Así, cuando los medios de accionamiento 23 se accionan, el segundo cuerpo giratorio 1 1 gira alrededor del segundo eje de giro 1 1 a.
El tercer cuerpo o marco giratorio 12 está configurado para girar alrededor de un tercer eje de giro 12a independiente del primer eje de giro 10a y del segundo eje de giro 1 1 a. En la realización ilustrada, el tercer cuerpo giratorio 12 está formado por un conjunto de elementos alargados que forman un perímetro cerrado. Los elementos alargados forman un perímetro cuadrado o rectangular, aunque otras formas perimetrales diferentes son posibles. El tercer cuerpo giratorio 12 es de tamaño menor u ocupa un volumen menor que el segundo cuerpo giratorio 1 1 , de forma que el tercer cuerpo giratorio 12 queda circunscrito en el segundo cuerpo giratorio 1 1 o situado en el interior de un volumen definido por el segundo cuerpo giratorio 1 1 cuando gira accionado por los medios de accionamiento correspondientes. El tercer cuerpo giratorio 12 está conectado al segundo cuerpo giratorio 1 1 mediante acoplamientos elásticos 44 y colectores eléctricos 54, ejes y rodamientos en lados opuestos del perímetro del tercer cuerpo giratorio 12. Los colectores eléctricos 54 permiten el paso de señales de un cuerpo giratorio a otro. Pueden incluirse además contrapesos para equilibrar pesos con el motor que está al otro lado.
El tercer cuerpo giratorio 12 gira en torno al eje de giro 12a accionado por medios de accionamiento, tales como uno o más motores o servomotores. En la realización ilustrada, al ser accionado un motor 24 situado en el eje de giro 12a, el motor 24 hace girar el tercer cuerpo giratorio 12 en torno al eje de giro 12a en cualquier de los dos sentidos (en la figura 1 B una flecha indica uno de los dos posibles sentidos de giro). Otros elementos del tercer cuerpo giratorio 12 son un reductor 34 del motor 24 y colectores eléctricos 54 (y acoplamientos, ejes y rodamientos). Así, cuando los medios de accionamiento 24 giran, el tercer cuerpo giratorio 12 gira en torno al tercer eje de giro 12a. Es decir, cada cuerpo giratorio 10, 1 1 , 12 rota a lo largo de un eje respectivo 10a, 1 1 a, 12a de forma independiente. De forma general, el eje 10a es ortogonal al eje 1 1 a y el eje 1 1 a es ortogonal al eje 12a. Esta rotación se genera a través de la fuerza de los motores acoplados a la máquina, cuyos pares es suficiente para movilizar toda la estructura de la máquina, incluida la muestra (ser vivo u objeto) que se coloque en la zona central. Puesto que el aparato 1 ilustrado tiene N=3 ejes de rotación 10a, 1 1 a, 12a que se controlan de manera independiente mediante motores, se consiguen N=3 grados de libertad. Al girar el tercer cuerpo giratorio 12, lo hace también el asiento 60 conectado al cuerpo 12, de forma que la persona que ocupa el asiento 60 es sometida a una serie de fuerzas aleatorias para conseguir un nivel de microgravedad simulada cercano a cero. Es decir, debido al movimiento de rotación generado, la persona sentada en el asiento 60 rota en todas las direcciones. Se puede hacer girar los motores independientes moviendo cada eje por separado o se puede simultanear todos los motores logrando que la persona gire en cualquier posición. La rotación de los ejes se genera a través de la fuerza de los motores acoplados a la máquina, cuyos pares son suficientes para movilizar toda la estructura de la máquina, incluida la muestra o cuerpo (ser vivo u objeto) que se coloque en la zona central.
El sistema mecatrónico cuenta también con unos medios de control, no ilustrados, formados por un conjunto de medios de procesado y elementos auxiliares, tales como medios de almacenamiento de memoria. Como medios de procesado puede usarse cualquier procesador o conjunto de procesadores con capacidad de respuesta adecuada, tales como una unidad de procesado central o al menos un núcleo de procesado central, una unidad de procesado gráfico, una FPGA (field-programmable gate array) o un circuito embebido (por ejemplo un sistema-en-chip o un sistema-en-chip multiprocesador), o una combinación de los anteriores. Los medios de procesado pueden estar anexos al sistema mecatrónico 1 o remotos con respecto al mismo. Además de medios de procesado, los medios de control de la máquina comprenden también medios de almacenamiento, tales como memorias, por ejemplo para dar soporte a los medios de procesado, almacenando software con instrucciones que son ejecutadas en los medios de procesado. El sistema mecatrónico cuenta también con una interfaz de usuario (panel de control) que permite comunicarse con los medios de control para controlar el funcionamiento del sistema mediante la programación y selección de parámetros de trabajo. Es decir, a través de la interfaz de usuario puede controlarse el movimiento de rotación, velocidad y sentido de giro de cada uno de los ejes de rotación de forma que se obtengan valores de microgravedad constante y estable en un nivel programado o seleccionado. Por ejemplo, si se fija un valor de microgravedad deseado en G*107, la muestra albergada en el sistema mecatrónico siempre estará sujeta a ese nivel de microgravedad durante la sesión en el sistema. Si, por el contrario, se fija un valor de microgravedad deseado en G*10 4, la muestra albergada en el sistema mecatrónico siempre estará sujeta a ese nivel de microgravedad durante la sesión en el sistema.
A través de la interfaz de usuario, por ejemplo mediante teclado, puede indicarse el valor de microgravedad que se desea obtener y la distancia con respecto al centro del sistema 1 a la que debe conseguirse ese nivel de microgra vedad. El sistema, a través de la ejecución de un software embebido en los medios de procesado, calcula, a partir del valor de microgravedad deseado y de la distancia con respecto al centro del medio 60 para albergar la muestra, tal como asiento, la velocidad angular que debe imponerse a cada eje de giro 10a, 1 1 a, 12a. Alternativamente, a través de la interfaz de usuario puede indicarse la velocidad angular que debe alcanzar cada eje de giro 10a, 1 1 a, 12a, de forma que el sistema, a través de la ejecución del software embebido en los medios de procesado, pueda calcular e informar al usuario a través de la interfaz de control, del valor de microgravedad que va a conseguirse a distintas distancias con respecto al centro del medio 60 para albergar la muestra.
La siguiente fórmula relaciona la velocidad angular promedio con la microgravedad obtenida a cierta distancia del centro del sistema:
Figure imgf000020_0001
donde gef es la gravedad efectiva medida en gravedad (g) en la plataforma giratoria (sistema de las figuras 1A-1 C) o la microgravedad a una distancia R respecto del centro de la plataforma (sistema de las figuras 1A-1 C), W es la velocidad angular promedia, que es la misma para cada eje de giro. La gravedad efectiva gef se representa como un número de veces g (por ejemplo, 0.00012 g).
De esta forma, seleccionando el valor de gravedad efectiva gef deseado y la distancia R respecto al centro del sistema, el sistema de control calcula la velocidad angular necesaria en cada eje de giro para conseguir esa gravedad efectiva a esa distancia. O seleccionando una cierta velocidad angular para los ejes de giro, el sistema de control puede mostrar, por ejemplo de forma gráfica a través de una pantalla, los valores de microgravedad que pueden conseguirse en función de la distancia al centro del sistema.
Este control puede hacerse remotamente y en tiempo real. Estos parámetros crean un sistema de cambios de velocidad de los motores, y por tanto de los ejes de rotación 10a, 1 1 a, 12a, que como se describe más adelante, es inestable y aleatorio. Es decir, para controlar la velocidad de giro o rotación de cada uno de los ejes de rotación 10a, 1 1 a, 12a y el sentido de giro o rotación (horario o antihorario) de los mismos, se puede utilizar un panel de control (interfaz de usuario), no ilustrado, que puede controlarse de forma remota en tiempo real. El sistema control, tal como control central, por ejemplo PLC, es capaz de calcular los valores de velocidad promedio de los motores para un valor de microgravedad dado. Alternativamente, es capaz de calcular el valor de la microgravedad para valores de velocidad angular ingresados por teclado. El sistema de control calcula los movimientos que tiene que hacer cada eje 10a, 1 1 a, 12a mediante instrucciones lógicas y bloques de función implementados en el sistema de control, tal como PLC. Estas instrucciones controlan los servomotores que hay en la máquina. El control de posición de cada eje se realiza mediante encoders que van integrados en cada servomotor y envían la información al sistema de control (PLC) (es un lazo cerrado). El sistema de control (PLC) envía una consigna de posición, velocidad, aceleración y sentido de giro, y el servomotor ejecuta estos movimientos.
En la implementación ilustrada en las figuras 1A-1 C, destinada a someter a microgravedad a una persona, se pueden ejecutar lógicas de control para limitar la rotación a un número máximo de grados de inclinación, por ejemplo para evitar que la persona quede boca abajo. Por ejemplo, puede limitarse la inclinación en cualquiera de los ejes de giro 10a, 1 1 a, 12a a un máximo de 90e con respecto a la vertical, o a un máximo de 100e con respecto a la vertical, o a un máximo de 120e con respecto a la vertical, o a un máximo de 120e con respecto a la vertical. La inclinación máxima variará en función de, entre otras cosas, la aplicación; por ejemplo, si el aparato se utiliza para ocio y diversión, podrá aplicarse una inclinación mayor que para el caso de tratamientos terapéuticos. La rotación de estos ejes 10a, 1 1 a, 12a provoca un nivel de microgravedad simulada constante (próximo a 0) y estable en un área central del sistema mecatrónico 1 , es decir, en la zona ocupada por el asiento 60.
Por otra parte, cuando el aparato 1 alberga seres vivos para ser sometidos al efecto de la gravedad o su ausencia, el sistema aplica un efecto de inestabilidad, para evitar que dichos seres vivos se adapten a la microgravedad simulada que el aparato genera. A continuación se explica cómo se consigue esta inestabilidad. Al igual que la lógica de control relacionada con la velocidad angular de los ejes para conseguir cierto nivel de microgravedad, la lógica de control relacionada con el efecto de inestabilidad se implementa mediante un software (conjunto de programas e instrucciones informáticos) que se alberga en los medios de procesado anteriormente citados.
La inestabilidad se genera a partir de una serie de parámetros controlados desde los medios de control del aparato 1 . Estos parámetros crean un sistema de cambios de velocidad inestable y aleatoria. Los parámetros son los siguientes, para cada eje de rotación 10a, 1 1 a, 12a (en general, eje i) asociado a un cuerpo giratorio respectivo 10, 11 , 12:
Velocidad máxima de giro del motor o motores del eje i (e/s): vmax
Velocidad mínima de giro del motor o motores del eje i (e/s): vm/n
Nótese que el movimiento de cada eje de rotación i (ejes 10a, 1 1 a, 12a) es independiente del movimiento del resto de ejes.
Tiempo máximo para que se produzca un cambio de velocidad de giro en el motor o motores de un eje i (s): tmaxJ
Tiempo mínimo para que se produzca un cambio de velocidad de giro en el motor o motores de un eje i (s): \minJ
De forma general, el tiempo máximo y mínimo para producir cambio de velocidad de giro es diferente en cada eje i. No obstante, puede establecerse el mismo valor máximo para varios o todos los ejes, y puede establecerse el mismo valor mínimo para varios o todos los ejes. Nótese que, aunque se eligiese el mismo valor máximo (y mínimo, respectivamente) en los tres ejes, los eventos que se generan son aleatorios.
El valor de velocidad de giro de un eje i calculado por los medios de procesamiento es un valor pseudo-aleatorio que varía entre vm/n , y vmax„ calculado a partir de la siguiente expresión:
Velocidad de giro del eje i v¡ (Rpm) = (vmax - vm/n J*rand() + \imi„ _¡
siendo randQ una función que genera un valor real pseudo-aleatorio entre 0,0 y 1 ,0.
El valor de tiempo que debe transcurrir para que se produzca un cambio de velocidad de giro en un eje i, calculado por los medios de procesamiento, es un valor pseudo-aleatorio que varía entre \m¡nJ y tmax _¡, calculado a partir de la siguiente expresión:
Tiempo para cambio velocidad del eje i t¡ (s) = (tmax_,· - tm/n J*rand() + \m¡nJ
siendo randQ la misma función anterior.
El sistema pseudo-aleatorio determinado por estos parámetros permite asignar cualquier valor a los parámetros anteriores. Dependiendo de la aplicación y circunstancia de la muestra, se definirán distintos protocolos de aplicabilidad.
En realizaciones de la invención, la velocidad máxima de giro del eje i vmax_,· y la velocidad mínima de giro del eje i vm/n , dependen de la velocidad promedio calculada a través de la fórmula gef = descrita anteriormente. Para cada eje, la velocidad angular promedio
Figure imgf000022_0001
se relaciona con las velocidades máximas y mínimas con la siguiente ecuación:
Figure imgf000022_0002
Preferentemente, se considera el valor de la velocidad mínima (Vmin ¡) como un porcentaje del valor de la velocidad angular promedia. Este valor Vmin ¡ se proporciona al sistema, por ejemplo por teclado. Este valor indica el mínimo valor que puede alcanzar la velocidad respecto al valor medio. Conociendo V (representada en la fórmula anterior como W) y Vmin ¡ se puedo conocer el valor Vm¡axJ . Con estos valores el sistema calcula los valores pseudo- aleatorio de la velocidad de giro (Rpm) de cada eje. De esta manera se pueden elegir valores de velocidad angular aleatorios en torno a un valor de velocidad angular promedio W para determinados valores de microgravedad, para una posición respecto al centro del sistema.
Hay además, para cada eje de giro i, un parámetro adicional, t_Rpm_cte_i, que representa el tiempo máximo en segundos en que un eje i gira a la misma velocidad v¡ (rpm). Tras una fase o tiempo de aceleración/deceleración, un eje i alcanza la velocidad constante v¡ “Velocidad de giro del eje i (Rpm)” calculada. El tiempo empleado en la aceleración o deceleración necesaria para alcanzar esa velocidad constante, además del propio valor de aceleración o deceleración parametrizado, dependen de la variación con respecto a velocidad de partida, tal y como se ilustra a modo de ejemplo en la figura 3. En el primer tramo de la figura 3 (rampa ascendente) se muestra un valor de tiempo empleado en la aceleración (t_Acel) de un eje de rotación. En este tiempo t_Acel, la velocidad (RPM) del eje i en cuestión pasa de 0 a v¡. Cuanto mayor es la diferencia entre la velocidad de partida (en t0) y la de destino v¡ (en t_Acel), mayor es el tiempo en alcanzar la velocidad de destino v¡. El segundo tramo de la figura 3 representa el tiempo máximo durante el cual el eje i gira a la misma velocidad v¡ adquirida en la etapa anterior. Tras este tiempo máximo t_Rpm_cte, el eje i puede aumentar o disminuir su velocidad de giro, pero no puede mantenerla constante v¡ por más tiempo. A su vez, los parámetros de aceleración y deceleración son parámetros configurables que se utilizan para adaptar una velocidad a otra distinta (mientras la velocidad es constante, no se aplican los parámetros de aceleración o deceleración). En implementaciones de la invención, los valores de los parámetros de aceleración y deceleración pueden estar predefinidos (fijos) para un ciclo de funcionamiento de la máquina. En otras implementaciones de la invención, los valores de los parámetros de aceleración y deceleración pueden variar en un mismo ciclo de funcionamiento de la máquina. En realizaciones de la invención, si en un eje i las velocidades inicial y final en un cambio de velocidad son muy parecidas, se limita esa duración de tiempo a velocidad constante a un valor inferior a tmax„ forzando otro cambio de velocidad antes de que termine el tiempo determinado por el parámetro t_Rpm_cte. Así, a cada petición de cambio de velocidad (que ocurre una vez transcurrido el“Tiempo para cambio velocidad del eje i t¡ (s)” calculado mediante la fórmula anterior, u opcionalmente antes si las velocidades inicial y final en un cambio de velocidad son muy parecidas), se genera un nuevo valor de velocidad de giro y un nuevo valor de tiempo máximo a esperar para provocar otro nuevo cambio de velocidad. Nótese que el grado de parecido entre velocidades inicial y final depende de la aplicación, de forma que para dos aplicaciones diferentes, mismos valores de velocidad inicial y final podrían interpretarse de forma diferente (en un caso suficientemente parecidos como para limitar la duración de tiempo constante a un valor inferior a t_Rpm_cte; y en otro caso suficientemente diferentes como para mantener la velocidad destino durante un tiempo igual a t_Rpm_cte).
Los parámetros de velocidad de giro de cada eje y tiempo para cambio de velocidad en cada eje son los que crean la aleatoriedad (o pseudo-aleatoriedad), inestabilidad e impredecibilidad buscadas. Además, puede usarse un tercer parámetro, que representa un cambio de sentido en un eje, y que permite aumentar el grado de pseudo-aleatoriedad, inestabilidad e impredecibilidad buscadas.
Preferentemente, estas indicaciones de velocidad de giro, cambio de velocidad, cambio de sentido de giro, etc., de cada eje, se hacen llegar desde el procesador en que se ejecuta el software de control hasta el sistema 1 de forma cableada. Es decir, los servomotores y encoders son cableados. Nótese que a los servomotores hay que enviarles potencia eléctrica. Además, para poder controlar todo, a través de los colectores eléctricos se envía un bus de campo para poder controlar todo el sistema. Esto permite además poner sensores en el centro de la máquina, en varios puntos ocupados por el usuario (o por la muestra, en general).
El cambio de sentido en un eje i es también aleatorio e independiente del cambio de sentido en otros ejes. Cuando se produce un evento de cambio de sentido, se genera una deceleración lenta hasta la velocidad 0 y se invierte entonces el sentido de giro del eje de que se trate hasta la velocidad objeto que tenía antes. A continuación se describen unos parámetros que permiten crear un sistema de cambios de sentido de giro en cada eje i que contribuyen a crear dicha sensación de inestabilidad, aleatoriedad e impredecibilidad para el ente (persona, en el caso de la figura 1A-1 C) inmerso en el sistema. Estos parámetros son el tiempo máximo para cambio de sentido en un eje i (t_Dir_max_i) y el tiempo mínimo para cambio de sentido en un eje i ( t_Dir_min_i ). Con ellos, el valor de tiempo ( t_Dir_¡ ) tras el cual se produce un cambio de sentido en un eje de giro i es calculado por los medios de procesamiento. Es un valor aleatorio que varía entre t_Dir_min_i y t_Dir_max_i, calculado a partir de la siguiente expresión:
t_Dir_i = (t_Dir_max_i - t_Dir_min_i)* rand() + t_Dir_min_i
siendo randQ la misma función anterior.
Cada t_Dir_i segundos, se fuerza un cambio de sentido del giro del eje i. Además, el cambio de sentido provoca un nuevo cálculo de la velocidad de giro del eje i v¡ (Rpm) accionado por uno o más motores y del tiempo para cambio velocidad (s). Nótese que cada eje i es independiente del resto de ejes en lo que respecta a éste y al resto de parámetros. Se consigue así un sistema caótico debido al cambio continuo de los parámetros. En realizaciones de la invención, el valor de uno o más parámetros de los definidos puede coincidir en uno o más ejes de giro.
Todos estos cálculos y variables dan como resultado un sistema de cambios continuos, caótico, inestable e impredecible por el ente inmerso en el sistema. Cada eje i (en las figuras 1A-1 C, ejes 10a, 1 1 a, 12a) tiene distintas velocidades, distintos sentidos y distintos momentos para cambiarlos e invertirlos. En función de la aplicación, se elegirán unos u otros valores de velocidad máxima de giro del motor o motores del eje i, de velocidad mínima de giro del motor o motores del eje i, de tiempo máximo para que se produzca un cambio de velocidad de giro en el motor o motores de un eje i, de tiempo mínimo para que se produzca un cambio de velocidad de giro en el motor o motores de un eje i, etc. Por ejemplo, en una aplicación destinada a someter a microgravedad a un microorganismo, estos valores serán diferentes a los de una aplicación destinada a someter a microgravedad a personas. Incluso tratándose de personas, estos valores pueden variar en función de si se trata, por ejemplo, de un tratamiento terapéutico o de una actividad lúdica. Se consigue así que los organismos vivos alojados en los medios de alojamiento (por ejemplo, asiento 60) del sistema mecatrónico no se estabilicen y no se pierda el efecto de la microgravedad.
La figura 4 muestra una gráfica en la que se representan los niveles de microgravedad conseguidos experimentalmente con un sistema mecatrónico como el esquematizado en las figuras 1A-1 C. En concreto, el sistema mecatrónico con el que se han obtenido los valores de microgravedad representados en la figura 4 es un sistema mecatrónico de 3 cuerpos o marcos giratorios, en el que el medio para albergar la muestra no es un asiento, sino un receptáculo para sujetar o insertar una muestra. El sistema mecatrónico fabricado se ha dimensionado como sigue: Cada marco o arco giratorio es rectangular. Para los tres ejes se han usado motorreductores formados por un sensor, un motor y dos reductores de velocidad. El sensor es de tipo Encoder de la Serie HEDS 5540 Modelo 1 10513 con tres canales de 500 pulsos por revolución y dos pines de alimentación a 5 V y con una frecuencia máxima de funcionamiento 100 kHz. El motor es un motor DC de la serie A-Max 32 modelo 353222 con Potencia Nominal de 15W y Velocidad Nominal de 2850 rpm, entregando un Torque Nominal de 36.3 mN.m. El voltaje máximo de trabajo de los motores DC es de 12 Voltios y con una corriente sin carga de 56.6 mA y con la estructura a 100 mA, soportando una corriente máxima de 1.3 A. El primer reductor de velocidad es un reductor lineal de la Serie GP-42, Modelo 260554, Tipo: Engranajes Planetarios, Reducción 236:1 , Torque Máx.: 15 N.m para movimientos continuos y 22.5 N.m para movimientos intermitentes, como cambios de dirección de giros, paradas o arranque según la hoja de datos. El segundo reductor, de velocidad 10:1 , es un reductor a 90° modelo AER050010. La velocidad nominal o velocidad de trabajo con carga es de 2850 RPM (velocidad nominal del motor). La velocidad de salida es de 2850 / 2360 = 1.2 RPM. La gráfica de la figura 4 se ha realizado en un experimento en el que no se levanta ninguna carga, por lo que la velocidad nominal se ha podido variar desde cero hasta los 6700 RPM, que es la velocidad límite de este motor. Por lo tanto, la velocidad máxima de la máquina usada y a partir de la cual se han obtenido los valores representados en la figura 4, es de 6700 / 2360 = 2.8 RPM.
La figura 4 muestra niveles de microgravedad en función de la distancia con respecto al punto central de la máquina o aparato, representada esta distancia en el eje horizontal en escala logarítmica, y de la velocidad angular, representada en el eje vertical en RPM, tomados experimentalmente con la máquina descrita en el párrafo anterior. Se han utilizado sensores (IMU) que reportan valores angulares en distintos puntos de la máquina. En el eje vertical se representa la velocidad angular resultante del sistema completo. La gráfica representa distintos valores de gravedad efectiva obtenidos a determinada distancia del centro del sistema mecatrónico (eje x) en función de la velocidad angular del sistema. Como puede observarse en la gráfica, a distancias de 10 cm del al punto central de la máquina se consiguen niveles de microgravedad del orden de G/105.
Con el sistema mecatrónico descrito y parametrizado anteriormente se han realizado varios experimentos. En uno de ellos se ha analizado la expresión genética de pupas de moscas de la fruta, que han sido sometidas a microgravedad durante 4 días con la máquina descrita. Estos experimentos se realizaron a 24° +-0.5 °C, sin pretratamiento en frío. Comparando la evolución a lo largo de los 4 días, se ha observado que a lo largo de este tiempo de forma dinámica unos genes se expresan y otros se inhiben, lo que prueba que la microgravedad activa la expresión genética sin que el organismo se acostumbre a la microgravedad. Es decir, los cambios observados a lo largo de los 4 días prueban que el organismo no se acostumbra a la microgravedad. Comparando estos experimentos con los llevados a cabo en la ISS Estación Espacial Internacional (véase el apartado correspondiente de los Antecedentes de la Invención), los resultados han mostrado que existen como mínimo 29 genes comunes que han respondido a la microgravedad real, entre ellos: CG13231 , CG13551 , CG13877, CG17404, CG1648, CG3397, CG3597, CG6600, CG10219, CG12139, CG12290, CG12876, CG3508, CG4439, CG32436, CG7220, CG30035, CG7860, CG7878, CG10083, CG10158, CG1516, CG761 1 , CG8863, CG17746, CG33070, CG5445, CG9636, CG16708. Los nueve primeros muestran una expresión del mensajero de RNA y los otros muestran una inhibición del mensajero de RNA a condiciones de microgravedad.
Con el mismo sistema mecatrónico se han realizado experimentos con seres inertes. Por ejemplo, se ha llevado a cabo un experimento de cristalización de sales (Nitrato de potasio) en microgravedad. En este experimento, se solubilizó nitrato de potasio en 120 mi de agua destilada a una temperatura aproximada de 90° C, obteniendo una solución salina al 50% (p/v). A partir de esta solución, se tomó dos alícuotas de la solución en dos tubos de centrífuga Falcon de 50 mi (control: G; experimental: M), llenándolos totalmente. El tubo G se mantuvo en condiciones de gravedad normal, mientras que el tubo M fue colocado en la plataforma central del sistema mecatrónico descrito y parametrizado anteriormente, de tres ejes de rotación. El experimento tuvo una duración de 150 minutos, a una temperatura aproximada de 18° C. Finalizado el experimento se procedió a filtrar y secar los cristales obtenidos en ambos ensayos (figuras 5A y 5B) para visualizarlos al microscopio (aumento: 40X) (figuras 5C y 4D). La figura 5A muestra los cristales obtenidos al finalizar los ensayos (tubos G y M). La figura 5B muestra los cristales secos obtenidos en los tubos G y M. La figura 5C muestra los cristales formados en condiciones de microgravedad simulada (tubo M). La figura 5D muestra los cristales formados en condiciones de gravedad normal (tubo G).
También se ha fabricado un sistema mecatrónico como el esquematizado en las figuras 1 A- 1 C, diseñado para someter a microgravedad controlada a seres humanos, que se ha diseñado para funcionar correctamente con cargas en el asiento 60 mayores de 50 kg, tales como mayores de 75 kg, de hasta 150kg. Antes de su fabricación, se simuló con un peso de 250 Kg y el volumen de una persona de 1 ,80 m de altura y 70 Kg de peso. Para conseguir generar microgravedad constante en una persona de este peso, toda la estructura, motores y demás elementos se han dimensionado adecuadamente. En una implementación concreta, se ha diseñado la máquina 1 , en la que sobre una estructura de hierro se han dispuesto de tres marcos giratorios y ejes de giro correspondientes, con unos servomotores de 3670 , par nominal de 12 N.m y velocidad nominal de 3000 rpm cada uno. Reductores planetarios de reducción 50:1 con un par nominal de salida de 650 N.m a una velocidad de 3000 rpm cada uno, por lo que la velocidad teórica de cada motor puede variar de 0 a 60 rpm (1 vuelta por segundo máximo).
Para comprobar experimentalmente la aleatoriedad del sistema, puede calcularse el periodo del movimiento o periodo de oscilación de una muestra. Para ello, se puede medir la velocidad angular de la muestra sometida a microgravedad en distintos puntos de la misma (que varían con respecto al punto central de la máquina) mediante un encoder situado en la muestra, desplazando el encoder a distintos puntos de la muestra, para ver cómo varía la velocidad angular de la muestra al someterse al sistema. El periodo del movimiento o periodo de oscilación T se calcula así: T=2(PI)(N) L/V, donde N son los grados de libertad y W es la velocidad angular experimental obtenida por el Encoder .
Como ha podido apreciarse a lo largo de la presente divulgación, el sistema mecatrónico implementado como clinostato tridimensional permite la simulación en tierra de un entorno de microgravedad simulada y proporciona un nivel de microgravedad combinado con una generación de inestabilidad que no permite a los organismos vivos a estudiar adaptarse a la microgra vedad simulada. Además, los medios destinados a alojar la muestra soportan una carga en torno a 150 Kg. Las aplicaciones de la presente invención incluyen investigaciones de materiales sometidos a microgravedad y de cambios en la estructura molecular de los organismos vivos, entre otras. El sistema de la invención ha sido probado de forma experimental, tanto con organismos vivos como inertes.
En función de la necesidad (tipo de aplicación para la que se esté usando el aparato 1 ) y de la capacidad de la muestra (en el caso de las figuras 1A-1 C, persona) sometida a las fuerzas y movimientos del aparato 1 , se pueden ejecutar lógicas de control para limitar la mencionada rotación a un determinado número N de grados de libertad previamente señalados y N ejes de rotación. Por ejemplo, mediante lógicas de control puede imponerse, en la máquina de la figura 1 , que N=2, es decir, que la máquina trabaje con 2 ejes de rotación y por tanto con 2 grados de libertad. En otras palabras, puede imponerse que el o los motores que accionan uno de los ejes se apague, impidiéndose el movimiento del cuerpo giratorio respectivo sobre dicho eje. Nótese que con N>2 (es decir, al menos 3 ejes de rotación) se consigue un nivel suficiente de inestabilidad para un ser vivo. Si bien se puede conseguir microgravedad con un solo eje de rotación, o con dos ejes de rotación, el organismo introducido en su interior y sometido a microgravedad se estabilizaría muy rápido. Es decir, se ha observado que a mayor N, más aleatorio es el sistema. Con otras palabras, el número N de ejes de rotación influye sobre la aleatoriedad resultante.
Como ha quedado de manifiesto a lo largo del presente texto, la presente divulgación proporciona dos factores diferenciales respecto a clinostatos convencionales: a) una inestabilidad más eficaz que permite alargar la duración de los experimentos, al no permitir a la muestra, en caso de que ésta sea un organismo vivo, adaptarse al entorno de microgravedad simulada; y b) la posibilidad de introducir cargas elevadas, tales como mayores de 50 kg, o mayores de 75 kg, de hasta 150 kg, sin que el efecto de la microgravedad simulada se vea afectado.
En este texto, el término“comprende” y sus derivaciones (tal como“comprendiendo”, etc.) no deben entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben ser interpretados como que excluyen la posibilidad de que lo que se describe y se define pueda incluir elementos, etapas adicionales, etc.
En el contexto de la presente invención, el término“aproximadamente” y términos de su familia (como“aproximado”, etc.) deben interpretarse como indicando valores muy cercanos a aquellos que acompañan a dicho término. Es decir, una desviación dentro de límites razonables con respecto a un valor exacto deberían aceptarse, porque un experto en la materia entenderá que tal desviación con respecto a los valores indicados puede ser inevitable debido a imprecisiones de medida, etc. Lo mismo aplica a los términos“unos”, “alrededor de” y“sustancialmente”.
La invención no se limita obviamente a la(s) realización(es) específica(s) descrita(s), sino que abarca también cualquier variación que pueda ser considerada por cualquier experto en la materia (por ejemplo, con relación a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro del alcance general de la invención como se define en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Un aparato (1 ) para la generación de microgravedad, que comprende:
un primer cuerpo giratorio (12) configurado para girar alrededor de un primer eje (12a), mediante el accionamiento de un primer medio de accionamiento (24),
un medio (60) para albergar una muestra, estando el medio (60) circunscrito en el primer cuerpo giratorio (12) y conectado al primer cuerpo giratorio (12),
un segundo cuerpo giratorio (1 1 ) configurado para girar alrededor de un segundo eje (1 1 a) mediante el accionamiento de un segundo medio de accionamiento (23), estando el primer cuerpo giratorio (12) dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el segundo cuerpo giratorio (1 1 ) cuando gira alrededor de dicho segundo eje (1 1 a) y conectado al segundo cuerpo giratorio (1 1 ),
un tercer cuerpo giratorio (10) configurado para girar alrededor de un tercer eje (10a) mediante el accionamiento de un tercer medio de accionamiento (21 , 22), estando el segundo cuerpo giratorio (1 1 ) dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el tercer cuerpo giratorio (10) cuando gira alrededor del tercer eje (10a) y conectado al tercer cuerpo giratorio (10),
en el que dichos primer (24), segundo (23) y tercer (21 , 22) medios de accionamiento son independientes entre sí, siendo el giro de cada eje (12a, 1 1 a, 10a) independiente del giro de los otros ejes,
en el que la rotación de dichos cuerpos giratorios (10a, 1 1 a, 12a) genera un nivel de microgravedad simulada en dicho medio (60) para albergar una muestra,
un medio de procesamiento configurado para controlar el giro de cada uno de dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a) mediante la aplicación, en cada uno de dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a), de un valor pseudo-aleatorio de velocidad de giro que varía entre un valor mínimo vminJ y un valor máximo vmax_,· previamente establecidos para cada eje i, durante un valor pseudo- aleatorio de tiempo que varía entre un valor mínimo \m¡nJ y un valor máximo tmax_¿ previamente establecidos para cada eje i, consiguiéndose un efecto de inestabilidad para evitar que la muestra albergada en dicho medio (60) se adapte a la microgravedad simulada generada por el aparato (1 ).
2. El aparato de la reivindicación 1 , en el que en cada eje, dicho valor mínimo vm/n ,_¡ se determina como un porcentaje de una velocidad angular promedio en dicho eje, donde dicha velocidad angular promedio se obtiene a partir de un nivel de microgravedad deseado y de una distancia con respecto al centro de dicho medio (60) a la que debe conseguirse dicho nivel de microgravedad deseado.
3. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos primer, segundo y tercer cuerpos giratorios (12, 1 1 , 10) están soportados por una estructura fija (5) dispuesta en una superficie de referencia.
4. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho medio (60) para albergar una muestra es un asiento para que una persona se acomode en la parte central del aparato (1 ).
5. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho medio de procesamiento está configurado para limitar la inclinación de cada uno de los ejes (12, 1 1 , 10) con respecto a la vertical, a un valor máximo de grados de inclinación previamente establecido.
6. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho valor pseudo- aleatorio de la velocidad de giro de cada uno de dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a) se calcula como sigue, para cada eje i:
Velocidad de giro del eje i v¡ (Rpm) = (vmax - \iminJ )*rand() + \iminJ
siendo randQ una función que genera un valor real pseudo-aleatorio entre 0,0 y 1 ,0, vmax_,· la velocidad máxima de giro del eje i y vm/n la velocidad mínima de giro del eje i; y
dicho valor pseudo-aleatorio de tiempo durante el cual cada eje i gira a la velocidad de giro calculada, se calcula como sigue:
Tiempo para cambio velocidad eje i t¡ (s) = (tmax_,· - tm/n ,)*rand() + \minJ
siendo randQ la misma función anterior, tmax_,· el tiempo máximo para que se produzca un cambio de velocidad de giro del eje i y \minJ el tiempo mínimo para que se produzca un cambio de velocidad de giro del eje i.
7. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho medio de procesamiento está configurado para controlar el sentido del giro de cada uno de dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a) mediante la aplicación de un cambio de sentido en cada eje i cada vez que transcurre un tiempo cuyo valor es un valor pseudo-aleatorio que varía entre un valor mínimo t_Dir min i y un valor máximo t_Dir max_i previamente establecidos para cada eje i.
8. El aparato de la reivindicación 7, en el que dicho valor pseudo-aleatorio de tiempo para aplicar un cambio de sentido en cada uno de dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a) se calcula como sigue, para cada eje i:
t_Dir_i = (t_Dir_max_i - t Dir min i)* rand() + t_Dir_min_i siendo randQ una función que genera un valor real aleatorio o pseudo-aleatorio entre 0,0 y
I ,0, t_Dir_max_i e I tiempo máximo para cambio de sentido en el eje i y t_Dir_min_i e I tiempo mínimo para cambio de sentido en el eje i.
donde dicho cambio de sentido provoca un nuevo cálculo de la velocidad de giro del eje i v¡ y un nuevo cálculo del tiempo para el cambio de velocidad t¡.
9. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho medio de procesamiento está configurado para imponer un valor máximo de tiempo en el que un eje i gira a una misma velocidad.
10. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un panel de control configurado para controlar al menos uno de los siguientes parámetros: velocidad de cada uno de los ejes de rotación v¡ (12a, 1 1 a, 10a), sentido del movimiento de cada eje de rotación (12a, 1 1 a, 10a) y valor máximo de tiempo en el que un eje i gira a una misma velocidad t¡.
I I . Un método para la generación de microgravedad simulada mediante un aparato (1 ) que comprende un primer cuerpo giratorio (12) configurado para girar alrededor de un primer eje (12a), mediante el accionamiento de un primer medio de accionamiento (24); un medio (60) para albergar una muestra, estando el medio (60) circunscrito en el primer cuerpo giratorio (12) y conectado al primer cuerpo giratorio (12); un segundo cuerpo giratorio (1 1 ) configurado para girar alrededor de un segundo eje (1 1 a) mediante el accionamiento de un segundo medio de accionamiento (23), estando el primer cuerpo giratorio (12) dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el segundo cuerpo giratorio (1 1 ) cuando gira alrededor de dicho segundo eje (1 1 a) y conectado al segundo cuerpo giratorio (1 1 ); y un tercer cuerpo giratorio (10) configurado para girar alrededor de un tercer eje (10a) mediante el accionamiento de un tercer medio de accionamiento (21 , 22), estando el segundo cuerpo giratorio (1 1 ) dispuesto en el interior de un volumen delimitado por el tercer cuerpo giratorio (10) cuando gira alrededor del tercer eje (10a) y conectado al tercer cuerpo giratorio (10), en el que dichos primer (24), segundo (23) y tercer (21 , 22) medios de accionamiento son independientes entre sí,
comprendiendo el método:
hacer girar dichos primer, segundo y tercer cuerpos giratorios (12, 1 1 , 10) en torno a dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a) mediante el accionamiento independiente de dichos primer (24), segundo (23) y tercer (21 , 22) medios de accionamiento,
controlar el giro de cada uno de los ejes (12a, 1 1 a, 10a) mediante la aplicación, en cada uno de dichos ejes (12a,
1 1 a, 10a), de un valor pseudo-aleatorio de velocidad de giro v¡ que varía entre un valor mínimo vm/n ,_¡ y un valor máximo vmax , previamente establecidos para cada eje i, durante un valor pseudo-aleatorio de tiempo t¡ que varía entre un valor mínimo tm/n y un valor máximo tmax , previamente establecidos para cada eje i.
12. El método de la reivindicación 1 1 , en el que para cada eje, el valor mínimo vm/n ,_¡ de velocidad de giro se obtiene como sigue:
calcular una velocidad angular a la que debe girar dicho eje para conseguir un determinado nivel de microgravedad a una determinada distancia con respecto al centro de dicho medio (60),
calcular un porcentaje de dicha velocidad angular, siendo dicho porcentaje el valor mínimo vmm ,·.
13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 1 o 12, en el que dicho valor pseudo- aleatorio de la velocidad de giro de cada uno de dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a) se calcula como sigue, para cada eje i:
Velocidad de giro del eje i v¡ (Rpm) = (vmax - vm/n J*rand() + \iminJ
siendo randQ una función que genera un valor real pseudo-aleatorio entre 0,0 y 1 ,0, vmax la velocidad máxima de giro del eje i y vm/n la velocidad mínima de giro del eje i; y
dicho valor pseudo-aleatorio de tiempo durante el cual cada eje i gira a la velocidad de giro calculada, se calcula como sigue:
Tiempo para cambio velocidad eje i t¡ (s) = (tmax_,· - tm/n ,)*rand() + \m¡nJ
siendo randQ la misma función anterior, tmax_,· el tiempo máximo para que se produzca un cambio de velocidad manteniendo el sentido de giro del eje i y \m¡nJ el tiempo mínimo para que se produzca un cambio de velocidad manteniendo el sentido de giro del eje i.
14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 13, que comprende además controlar el sentido del giro de cada uno de dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a) mediante la aplicación de un cambio de sentido en cada eje i cada vez que transcurre un tiempo cuyo valor es un valor pseudo-aleatorio que varía entre un valor mínimo t_Dir min i y un valor máximo t_Dir maxj previamente establecidos para cada eje i.
15. El método de la reivindicación 14, en el que dicho valor pseudo-aleatorio de tiempo para aplicar un cambio de sentido en cada uno de dichos ejes (12a, 1 1 a, 10a) se calcula como sigue, para cada eje i:
t_Dir_i = (t_Dir_max_i - t Dir min i)* rand() + t_Dir_min_i
siendo randQ una función que genera un valor real aleatorio o pseudo-aleatorio entre 0,0 y 1 ,0, t_Dir_max_i e I tiempo máximo para cambio de sentido en el eje i y t_Dir_min_i e I tiempo mínimo para cambio de sentido en el eje i. donde dicho cambio de sentido provoca un nuevo cálculo de la velocidad de giro del eje i y un nuevo cálculo del tiempo para el cambio de velocidad.
16. Un programa informático que comprende instrucciones de código de programa de ordenador para realizar el método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 15.
17. Un soporte /medio de almacenamiento legible por ordenador que almacena código / instrucciones de programa, para realizar el método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 1 a 15.
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