一种测量单根肌肉纤维应激力学行为的设备及测试方法与流程

本发明涉及生物力学领域，特别涉及一种用于对单根肌肉纤维应激力学行为进行测量的设备及测试方法。

背景技术：

随着现代生物学的发展，对于生物组织、结构、细胞等的研究越来越深入，研究的对象越来越小，其作用力也随之减小。当肌肉纤维处于不同的介质环境中或受外部电信号刺激时，将产生不同形式的变形。这对研究肌肉修复和运动控制等问题极为关键，是目前生物力学与临床医学都极为关注的领域。

由于单根肌肉纤维的直径只有一百微米左右，力和变形都很小，在实验时需要同时测量肌肉纤维主动收缩的力和变形，目前尚无合适的实验设备。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种对单根肌肉纤维应激力学行为进行测量的设备及测试方法。

特别地，本发明提供一种测量单根肌肉纤维应激力学行为的设备，包括：

仪器主机，包括相对设置的固定夹持座和活动夹持座，所述固定夹持座包括用于夹持肌肉纤维试样一端的定探针，所述活动夹持座包括实现水平任意一点位置调节的电动位移平台，和夹持肌肉纤维试样另一端的动探针，所述动探针通过被动位移部件与所述电动位移平台连接，所述被动位移部件用于反应所述肌肉纤维试样的位移，在所述电动位移平台上安装有测量所述被动位移部件位移变化的位移传感器；

光学显微镜，用于观察所述肌肉纤维试样在试验过程中的变形；

测控单元，包括与所述仪器主机连接的计算机，所述计算机用于发送控制指令，同时采集实验过程中各设备的实验数据。

在本发明的一个实施方式中，所述被动位移部件包括变形架，所述变形架为矩形框架，所述矩形框架与所述动探针位于同一水平面上，且所述动探针与所述矩形框架的一个长侧边的中点垂直连接，所述矩形框架的另一个长侧边的中点与所述电动位移平台固定。

在本发明的一个实施方式中，所述被动位移部件包括变形架，所述变形架为环形框架，所述环形框架与所述动探针位于同一水平面上，所述环形框架通过相对的两边分别与所述动探针和所述电动位移平台固定连接。

在本发明的一个实施方式中，在所述动探针与所述变形架的连接点处垂直固定有位移反映杆，所述位移反映杆的顶端与所述位移传感器的测量点对应。

在本发明的一个实施方式中，所述位移传感器为激光位移传感器，在所述位移反映杆的顶端固定有遮挡激光的挡光板。

在本发明的一个实施方式中，在所述位移传感器与所述电动位移平台之间固定有手动调节所述位移传感器与挡光板相对水平位置的手动调节座。

在本发明的一个实施方式中，在所述电动位移平台上固定有安装杆，在所述安装杆的一端固定有垂直于地面的连接板，所述变形架通过支杆与所述连接板固定。

在本发明的一个实施方式中，所述仪器主机还包括分别调节所述动探针和/或所述定探针高度的垂直调节座。

本发明的一个实施方式提供一种设备的测试方法，包括如下步骤：

步骤100，准备用于实验的设备；

步骤200，将待测试肌肉纤维试样的两端分别固定在定探针和动探针上，并通过电动位移平台使肌肉纤维试样处于无载荷的伸直状态；

步骤300，对处于调整状态的肌肉纤维试样按指定要求进行实验；

步骤400，根据肌肉纤维试样的几何参数，实验条件，和位移传感器测量的被动位移部件的位移数据，以及电动位移平台设定的加载参数，即可得到不同条件下肌肉纤维试样的力学行为特点。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤100中的准备工作包括：获取动探针的电压-力特征曲线与安装调试仪器；

所述步骤300中的指定要求包括：将同样长度或不同长度或不同直径的同样肌肉纤维试样浸泡在不同的溶液中，观察肌肉纤维试样的伸缩变化并记录数据；和

利用电动位移平台将同样长度或不同长度或不同直径的同样肌肉纤维试样浸泡在不同的溶液中，然后施加指定的位移加载观察变化并记录数据。

本发明采用的被动位移部件可以精确反应动探针的微小位移变化，通过非接触式位移传感器测量被动位移部件的位移，准确可靠，抗干扰能力强，可测得微米级的位移。在适当的弹性结构刚度下，位移经换算为载荷，可适用于微牛力的测量，这是常规应变片方法很难实现的。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的肌肉纤维试样的测量流程示意图；

图2是图1中仪器主机的结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的集成微小力和变形测量功能的传感器结构示意图；

图4是本发明一个实施方式的测试方法步骤示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一个实施方式的测量单根肌肉纤维应激力学行为的设备一般性地包括仪器主机、显微镜和测控单元。

该仪器主机包括相对设置的固定夹持座和活动夹持座；固定夹持座包括用于夹持肌肉纤维试样一端的定探针10；活动夹持座包括实现水平任意一点位置调节的电动位移平台4，和夹持肌肉纤维试样另一端的动探针9，动探针9通过被动位移部件3与电动位移平台4连接，被动位移部件3用于在不影响电动位移平台4的情况下反应肌肉纤维试样的位移，在电动位移平台4上安装有测量被动位移部件3位移变化的位移传感器6。

该光学显微镜用于肌肉纤维试样被夹持后，在实验过程中观察肌肉纤维试样的变形状态或过程。

该测控单元与仪器主机连接，用于向仪器主机发送控制指令同时采集各部件在试验过程中的实验数据，具体的测控单元可以包括计算机或单片机，在计算机或单片机上可以安装进行数据收集的数据采集卡，以及电动位移平台的控制器，数据采集卡采集的信号可以包括位移传感器6的电压信号。控制器可以是能够控制并监控电动位移平台的控制程序。

本实施方式中，定探针10和动探针9与地面平行且两者位置相对，中间间隔一定的距离。当肌肉纤维试样的两端分别被定探针10和动探针9固定后，可以通过电动位移平台4调节肌肉纤维试样的拉伸状态。电动位移平台4可以包括一个固定座，和一个相对固定座能够实现水平移动的调节座。被动位移部件3为一个随肌肉纤维试样的收缩而被动变形的结构，被动位移部件3可以通过位移完全反应和消化动探针9上力的变化，而不会影响电动位移平台4的位移变化，即被动位移部件3可以在电动位移平台4不动的情况下，随动探针9所受的力而同步位移，并在失去外力时回复原状。具体的被动位移部件3可以是一个弹性件。

位移传感器6用于测量被动位移部件3的位移量，即可间接获得肌肉纤维试样的拉力或收缩力。

在实验时，将肌肉纤维试样的一端固定在定探针10上，另一端固定在动探针9上，通过电动位移平台4使肌肉纤维试样保持在拉直状态下，然后再进行各种试验，肌肉纤维试样在实验过程中力的变化即可通过被动位移部件3反映出来，而被动位移部件3的变化又被位移传感器6测量到，并传送至测控单元，测控单元同时还可监控电动位移平台4的运行参数，通过对力和时间的变化关系分析，即可得到当前肌肉纤维试样的恢复力学行为。

为方便固定肌肉纤维试样，定探针10和动探针9固定肌肉纤维试样的一端可以设置成钩子状。定探针10和动探针9的材料可以采用钢丝或钨丝。

本发明采用位移传感器间接测量载荷，属于非接触式测量，准确可靠，抗干扰能力强，可测得微米级的位移。在适当的弹性结构刚度下，位移经换算为载荷，可适用于微牛力的测量，这是常规应变片方法很难实现的。

本发明可以从三个方向调节动探针与定探针的相对位置，有利于加载小试样，精确定位。在仪器主机对肌肉纤维试样进行加载测试的同时，可以通过光学显微镜对肌肉纤维试样进行原位观察，不但实现实时监测肌肉纤维试样的变化情况，还可以进行原位测量。通过换装不同几何参数或材质的动探针或不同规格位移传感器，可以调节量程和精度，满足不同的实验需求，适用范围更广。

如图3所示，在本发明的一个实施方式中，被动位移部件3可以包括一个用于反应肌肉纤维试样力变化的变形架，该变形架可以为矩形框架，矩形框架与动探针9位于同一水平面上且与地面水平，动探针9与矩形框架的一个长侧边的中点垂直连接，矩形框架的另一个长侧边的中点与电动位移平台4固定。

当动探针9受到肌肉纤维试样的力时，该矩形框架即因受力而发生形变，从而使动探针9产生位移，该位移即被位移传感器测量到。矩形框架可以是一个长方形的框架，其由具备一定线弹性区间的材料构成，如钨丝、钢丝一类可随受力形变，又在外力消除时能够恢复原状的材料。

由于两对应结构位移点与矩形框架的连接点处位于矩形框架的侧边中心，因此在变形时不会发生相对转动，根据矩形框架的材料以及结构参数，可以计算出该矩形框架两对应结构点的理想等效刚度为：其中E为材料的杨氏模量，D为材料细丝直径，a、b分别为矩形框的长与宽。

具体的矩形框架的长宽比和材料直径，可以根据实验要求设置，也可以根据待测试的肌肉纤维试样和实验空间大小进行选择。通过改变几何参数a、b、D，可以大幅度调节刚度，适用于不同特征的肌肉纤维试样。通过等效刚度的理论计算式，初步估计设计参数的范围。

在本实施方式中，矩形框架的长宽比可以在8/1左右，如，采用直径0.22mm的钨丝，长宽分别取8cm与1cm。

本实施方式中的被动位移部件3采用对称矩形框设计，使得在测量肌肉纤维试样应激力的时候，肌肉纤维试样末端固定处不会因为相对转动而产生三维效应，能有效准确得测量其恢复力。动探针9和矩形框架设计成一个平面，可方便整个框架与探针浸没在实验溶液环境中。

在本发明的另一个实施方式中，该被动位移部件的变形架也可以是一个环形框架(图中未示出)，如圆形或椭圆形，需要保证该环形的材料能够使动探针9保持在水平状态，同时能够在受到外力时可以形变，并在外力消除后可以恢复原状的特性。其效果和测量方法与矩形框架结构的相同，这里不再重复。

在发明的一个实施方式中，为方便获取被动位移部件3的位移量，可以在动探针9与变形架的连接点处垂直固定位移反映杆8，位移反映杆8的顶端与位移传感器6的测量点对应。位移反映杆8的位置位于矩形框架或环形框架的变形范围外，可以随动探针9的移动而同步移动。采用位移反映杆8后，可以使测量动探针9的测点移至其它位置，从而避免影响动探针9的操作。位移反映杆8的高度可以根据位移传感器6的安装高度进行调整。

进一步地，在其它的实施方式中，具体的位移传感器6可以是激光位移传感器，同时为了有效测量位移，需将位移反映杆8的端头设置成激光的挡光面，该挡光面可以是在位移反映杆8的顶端固定的挡光板81。

在本发明的一个实施方式中，可以在位移传感器6与电动位移平台4之间固定手动调节位移传感器6水平位置的手动调节座5。当电动位移平台4调节好动探针9与定探针10之间的距离后，需对位移传感器激光光斑位置进行调节，因此可以通过手动调节座5对位移传感器6的光斑位置进行调节。手动调节座5可以包括一个与电动位移平台4固定的底座，和一个安装在底座上可以在水平面上实现一维位置调节的移动座，位移传感器6安装在移动座上。移动座的移动方式可以是轨道结构，也可以是螺杆和螺纹孔配合的结构。

为方便固定动探针9，在本发明的一个实施方式中，可以在电动位移平台4上固定安装杆7，动探针9和被动位移部件3可以直接固定在安装杆7上，也可以通过固定在安装杆7一端且垂直于地面的连接板71固定。为避免影响被动位移部件3的变形，变形架可以通过位于动探针9同一直线上的支杆与连接板71固定。采用安装杆7和连接板71的结构可以方便定探针10和动探针9相对独立出固定夹持座和活动夹持座，从而更容易使夹持了肌肉纤维试样的定探针10和动探针9处于特定的实验环境，如浸泡在溶液中。

在本发明的一个实施方式中，仪器主机可以包括一个用于固定左右两夹持座的底座1，以方便移动整个仪器主机。此外，还可以包括分别调节动探针9和/或定探针10高度的垂直调节座21与22。垂直调节座22可以作为定探针10的安装基座，在实现调节定探针10高度的同时，起到固定定探针10的作用。位于活动夹持座一侧的垂直调节座21可以安装在电动位移平台4和底座1之间，以便对活动夹持座的整个高度进行调节。具体的垂直调节座21与22可以是一个可升降的手动调节台，通过螺纹孔拧在支撑板上的螺栓来调节支撑板的高度。

如图4所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种测量单根肌肉纤维恢复力学行为的测试方法，该方法包括如下步骤：

步骤100，准备用于实验的设备；

准备工作包括：获取动探针的电压-力特征曲线与安装调试仪器。

获取电压-力特征曲线的方式如下：准备一个微量电子天平，将设备用铁架台或光学架台固定在适当位置，并使动探针的探头处于微量电子天平正常工作的适当位置。使用电动位移平台加载位移，记录数据采集卡采集的激光位移传感器的电压信号和微量电子天平的载荷值；将采集的一系列的电压、载荷值，按照力学模型处理和一定的换算即可得到动探针的电压-力特征曲线。

获取电压-力特征曲线后，安装调试仪器，确保各设备正常工作。

步骤200，将待测试肌肉纤维试样的两端分别固定在定探针和动探针上，并通过电动位移平台使肌肉纤维试样处于无载荷的伸直状态；

步骤300，对处于调整状态的肌肉纤维试样按指定要求进行实验；

这里的指定要求包括：将同样长度或不同长度或不同直径的同样肌肉纤维试样浸泡在不同的溶液中，观察肌肉纤维试样的伸缩变化并记录数据；和

利用电动位移平台对同样长度或不同长度或不同直径的同样肌肉纤维试样浸泡在不同的溶液中，然后施加指定的位移加载观察变化并记录数据。

如：先将肌肉纤维试样装载好后浸没在的所需的溶液(浓度为X1)中。待其稳定后，通过电动位移平台调节动探针位置，使肌肉纤维试样成刚好拉直状态。记下初始电压U₀，用显微镜测量肌肉纤维的初始长度L₀和平均直径d₀。

再设置适当的电动位移平台的位移参数，对肌肉纤维试样进行拉伸，记录激光位移传感器电压(U)-时间(t)信号，和电动位移平台位移(ΔX)-时间(t)参数。

然后更换浓度为X2的溶液，重复前面的步骤，测得相应的数据。根据上述数据即可获取肌肉纤维试样在不同环境下的力学性质。

测量肌肉纤维试样恢复力的过程如下：先将肌肉纤维试样装载好，并在浓度为X1的溶液中调整成刚好拉直状态，再原位更换为X2的溶液，待稳定后记录下前后激光位移传感器的电压(ΔU)数据。

测试肌肉纤维恢复过程规律(比例测试法)的过程如下：分别选取不同长度比的肌肉纤维试样L₁、pL₁，先在浓度为X1的溶液中调整成刚好拉直状态，再原位更换为X2的溶液，待稳定后记录下前后激光位移传感器电压的(ΔU)数据。

步骤400，根据肌肉纤维试样的几何参数，实验条件，和位移传感器测量的被动位移部件的位移数据，以及电动位移平台设定的加载参数，即可得到不同条件下肌肉纤维试样的力学行为特点。

具体的计算方式如下：(1)将采集的电压(ΔU＝U-U₀)-时间(t)信号以及电动位移平台位移(ΔX)-时间(t)换算为试样动端的实际位移(ΔS)-时间(t)关系，关系式：ΔS＝αΔU+ΔX，其中α为激光位移传感器的电压-位移灵敏度，ΔX由电动位移平台运行程序的设置参数求得。可得到试样动端的实际位移(ΔS)-时间(t)的关系。

(2)将测控单元的数据采集卡采集的电压(ΔU＝U-U₀)-时间(t)信号根据前述标定的电压-力特征曲线，换算成肌肉纤维试样实际受到的载荷(F＝βΔU)-时间(t)关系，β为由动探针电压-力特征曲线拟合出斜率。可得到试样实际受到的载荷(F)-时间(t)的关系。

(3)消去时间项，再由初始长度L₀和平均直径d₀，可得到工程应力(σ)-工程应变(ε)的关系曲线或载荷(F)-位移(ΔS)的关系曲线。

(4)将前面测得的ΔU换算成肌肉纤维试样实际受到的载荷(F＝βΔU)，即为测得的恢复力大小。

在本方法中，分析测试肌肉纤维恢复过程规律结果，如果不同长度的肌肉纤维试样更换溶液前后激光位移传感器电压(ΔU)相同，则改变溶液浓度后，肌肉纤维试样在一定位移范围内是按恒力恢复收缩，此力则是肌肉的恢复力。

如果不同长度的肌肉纤维试样更换溶液前后激光位移传感器电压(ΔU)不相同，但ΔU₂＝pΔU₁，则改变溶液浓度后，肌肉纤维在一定力范围内是按恒定长度收缩比恢复。不同情况的恢复力与选取肌纤维的尺寸和加载情况有密切关系。

如果不是前面的结果，则可能肌肉纤维试样其自然长度和杨氏模量都发生变化。不同情况的恢复力与选取肌纤维的尺寸有密切关系。其杨氏模量的变化，参数可从(4)中可得。

本方法通过前述比例测试法，可巧妙研究肌肉纤维的恢复规律。

本申请中涉及的激光位移传感器可以采用MTI Instruments公司的Microtrak II-SA型激光位移传感器，该传感器的有效量程为2mm，灵敏度为0.25μm/mV，正常环境下噪音水平0.8mV。该传感器线性度非常好，噪音很小，如果采用其他噪声较大的传感器，该仪器仍能工作，但会直接影响位移的测量精度。

电动平移平台可以采用北京卓立汉光公司的TSAx-C系列超薄型电控平移台组合，其8细分下的分辨率0.625(μm)重复定位精度<5(μm)。该电动位移平台运行稳定，可编程控制运行。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。