基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型的制作方法

[0001]
本发明属于人体前庭系统实体模型技术领域，特别是一种基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型。


背景技术：

[0002]
人体前庭系统中的半规管，可以感知人体头部的角加速度，用于保持身体平衡、维持稳定视觉，是人形重要的感觉器官。由于体积小、结构复杂、隐藏在头骨中，很难通过现有的技术手段，直接测量半规管内部的力学响应。而根据真实的人体半规管结构，用人工材料(或器件)代替相应的生物组织，设计制备人体半规管实体模型，可以较真实地观察和测量出人体半规管的工作机制，并进行各种生物体无法开展的物理实验，促进了解相关前庭疾病的病因。
[0003]
目前，人体半规管实体模型的结构如中国发明专利“人工纤毛的仿耳蜗半规管旋转加速度传感器”(申请号：201510750074.1公开日：2016.03.09)所述，包括一根以上中空的完全管道，该管道两端和一个密封的容器相连通，管道和容器内充满绝缘液，每根管道内部的壶腹嵴上设置一个以上凸起的纤维装置。
[0004]
上述旋转加速度传感器由于采用含金属芯压电纤维传感元件，其中金属芯的弹性模量较高，和人体半规管中的纤毛感觉细胞中的弹性模量有着很大的不同，也导致其生物力学特性和人体半规管有这很大的区别；且其管道中的塑形材料没有完全分隔管道，旋转时管道内的液体可以流经塑形材料表面，在管道内形成环流，这和人体半规管中壶腹嵴完全分隔开管道的结构有着本质的区别，内部流体流动方式也完全不同，其生物力学特性也会有很大的区别。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型，采用和人体头部前庭系统中用于测量角加速度的半规管部分完全相同的结构，具有和人体半规管相似的传感功能，能够感知角加速度，非常适合于用作人体半规管的实体模型，模仿人体半规管进行各种物理实验。
[0006]
实现本发明目的的技术解决方案为：
[0007]
一种基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型，包括一筒状刚性管道4和与所述刚性管道4两端密闭连接的圆环状连接管5，所述刚性管道4水平放置，所述圆环状连接管5从刚性管道4上方越过；
[0008]
在所述刚性管道4与圆环状连接管5构成的密闭空间内充满液体3；
[0009]
还包括置于所述刚性管道4中部的柔性弹性体2，所述柔性弹性体2周边与刚性管道4内壁密闭固定连接，将刚性管道4纵向分隔成互不相通的两部分；
[0010]
还包括全部包裹在所述柔性弹性体2内的形状相同的第一弯曲弹性板61和第二弯曲弹性板62；
[0011]
所述第二弯曲弹性板62与第一弯曲弹性板61的凹面相对，两端分别与所述刚性管道4管壁内侧固定连接；
[0012]
所述第二弯曲弹性板62与第一弯曲弹性板61的相对凹面内侧留有空间，内部没有柔性弹性体2；
[0013]
在所述第一弯曲弹性板61的凹面上沿其纵向紧密贴合有第一液体芯有机压电材料纤维11，在所述第二弯曲弹性板62的凹面上沿其纵向紧密贴合有第二液体芯有机压电材料纤维12；
[0014]
所述第二液体芯有机压电材料纤维12与第一液体芯有机压电材料纤维11形状、结构相同。
[0015]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
[0016]
能够感知角加速度，具有和人体半规管相似的传感功能：本发明在结构上通过双液体芯有机压电材料纤维，模仿人体头部前庭系统中用于测量角加速度的半规管结构，具有和人体半规管相似的传感功能，利用与人体半规管完全相同的工作原理，能够有效区分角加速度和直线加速度，避免出现角加速度与直线加速度的耦合，从而可以准确测定角加速度。非常适合于用作人体半规管的实体模型，模仿人体半规管进行各种物理实验。
[0017]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
[0018]
图1是本发明基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型的竖向剖面图。
[0019]
图2是图1中底部局部放大图。
[0020]
图3是图1的a-a向剖面图。
[0021]
图4是图1中液体芯有机压电材料纤维的横截面图。
[0022]
图5是图1中液体芯有机压电材料纤维的纵剖面图。
[0023]
图6是本发明基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型的另一种实施例的外形结构示意图。
[0024]
图中，柱状液体芯有机压电材料纤维11、12，柔性弹性体2，液体3，刚性管道4，连接管5，第一弯曲弹性板61，第二弯曲弹性板62，
[0025]
柔性外圆筒101，外层导电液体102，机压电材料内圆筒103，内层导电液体104，纤维顶板105，纤维底板106，内层电极引线107，外层电极引线108。
具体实施方式
[0026]
如图1、2、3所示，本发明基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型，包括一筒状刚性管道4和与所述刚性管道4两端密闭连接的圆环状连接管5，所述刚性管道4水平放置，所述圆环状连接管5从刚性管道4上方越过；
[0027]
在所述刚性管道4与圆环状连接管5构成的密闭空间内充满液体3；
[0028]
还包括置于所述刚性管道4中部的柔性弹性体2，所述柔性弹性体2周边与刚性管道4内壁密闭固定连接，将刚性管道4纵向分隔成互不相通的两部分；
[0029]
还包括全部包裹在所述柔性弹性体2内的形状相同的第一弯曲弹性板61和第二弯
曲弹性板62；
[0030]
所述第二弯曲弹性板62与第一弯曲弹性板61的凹面相对，两端分别与所述刚性管道4管壁内侧固定连接；
[0031]
在所述第一弯曲弹性板61的凹面上沿其纵向紧密贴合有第一液体芯有机压电材料纤维11，在所述第二弯曲弹性板62的凹面上沿其纵向紧密贴合有第二液体芯有机压电材料纤维12；
[0032]
所述第二液体芯有机压电材料纤维12与第一液体芯有机压电材料纤维11形状、结构相同。
[0033]
柔性弹性体2包裹在第一弯曲弹性板61和第二弯曲弹性板62外围，第二弯曲弹性板62与第一弯曲弹性板61的相对凹面内侧为空隙，其内没有柔性弹性体2，以作为弯曲弹性板61、62变形空间。
[0034]
优选地，
[0035]
所述第一弯曲弹性板61和第二弯曲弹性板62竖向放置，其上下两端分别与刚性管道4顶部内壁和底部内壁固定连接。
[0036]
作为另一种优选，
[0037]
所述第一弯曲弹性板61和第二弯曲弹性板62水平放置，其左右两端分别与刚性管道4左右两侧内壁固定连接。
[0038]
刚性管道4例如可以是圆筒形，如图6所示；也可以是内径局部扩大的筒形，如图1所示。
[0039]
优选地，如图4、5所示，所述第一液体芯有机压电材料纤维11包括有机压电材料内圆筒103、柔性外圆筒101；
[0040]
所述有机压电材料内圆筒103与柔性外圆筒101之间充满外层导电液体102，所述有机压电材料内圆筒103内充满内层导电液体104。
[0041]
所述外层导电液体102和内层导电液体104之间为绝缘关系。
[0042]
所述有机压电材料内圆筒103与柔性外圆筒101上端与纤维顶板105密闭固定连接，有机压电材料内圆筒103与柔性外圆筒101下端与纤维底板106密闭固定连接。
[0043]
还包括一端与内层导电液体104电连接的内层电极引线107、一端与外层导电液体102电连接的外层电极引线108。
[0044]
整个液体芯有机压电材料杆为密封结构，两端有堵头密封。当液体芯有机压电材料杆受到拉伸力作用，产生拉伸变形时，有机压电材料由于压电效应，在内、外层导电液体芯中将产生电荷，根据电荷的大小，可以计算出有机压电材料杆的伸长量，进而计算出弯曲弹性板的弯曲变形量，由于柔性弹性体和弯曲弹性板紧密粘接，可以认为弯曲弹性板的弯曲变形就是柔性弹性体的弯曲变形，由柔性弹性体的弯曲变形量，可以计算出受到的液体压力。
[0045]
本发明基于多根液体芯有机压电材料纤维的人体半规管实体模型的工作原理详述如下。
[0046]
当整个人体半规管实体模型受到外力作用，产生突然的旋转运动时，即产生角加速度时，管道壁、柔性弹性体、两侧的弯曲弹性板及内部的液体芯有机压电材料纤维，由于连接在一起，也产生突然的旋转运动，如顺时针旋转。而管道内部的液体由于自身的惯性，
将会向和管道壁旋转方向相反的方向运动，即逆时针转动，对左侧的柔性弹性体产生压力，使左侧的弯曲弹性板产生变形。而粘贴在左侧的弯曲弹性板内部的液体芯有机压电材料杆被拉伸，产生拉伸变形。由于压电效应，在有机压电材料内外表面的导电液体中产生电荷。根据电荷的大小，可以计算出角加速度的大小。一块弯曲弹性板负责一个方向，二块并排放置、弯曲方向相反的弹性板就可以计算出二个方向的弯曲变形。
[0047]
具体计算过程：一个液体芯有机压电材料杆产生电荷的大小——弯曲弹性板的受力的大小——柔性弹性体受到的惯性力的大小和方向——管道所受到的角加速度的大小和方向。
[0048]
本发明基于多根液体芯有机压电材料纤维的实体模型完全模仿人体内耳中半规管的结构和功能，能够直接感知角加速度的大小和方向，可以进行各种物理实验，研究人体的半规管的生物力学机制，也可以用于检测人体半规管的功能检查。