BIOMECHANIKAI KUTATÁSOK A BME MECHATRONIKA, OPTIKA ÉS M SZERTECHNIKA TANSZÉKEN 2005-06-07
F ként az OTKA támogatásai teszik lehet vé a szilikon elasztomerek egészségügyi és ipari alkalmazásával kapcsolatos, korábban elkezdett kutatások folytatását és kib vítését is. A biomechanikához kapcsolódóan továbbra is négy területre koncentrál a f állású oktatókból és doktoranduszokból álló kutatócsoport: 1. Szilikon elasztomerek mechanikai és egyéb tulajdonságainak kutatása, beleértve a nagyrugalmasságú, különleges szenzor és aktuátor alapanyagokat is. 2. A bionikai mozgásformák megismerése, rendszerezése és alkalmazása nagyrugalmasságú szerkezetekben. 3. Orvostechnikai alkalmazások kutatása, mint pl. mesterséges sphincterek (végbél és vizelet inkontinencia megszüntetésére), mesterséges ín, önjáró, nagyrugalmasságú üregszonda. Állatgyógyászati célra alkalmazható, in vivo mérésére alkalmas ínfeszítettség (er ) vizsgáló rendszer. 4. Ipari alkalmazásban szoft robotmegfogók és ipari üregszondák mozgató rendszerének és vezérlésének kutatása, különleges munkahengerek és szelepek kifejlesztése. PÉLDÁK KÉPEKBEN 1. NEMLINEÁRIS, DINAMIKUS ANYAGMODELLEK
A rugómerevség függése a nyúlástól és az id t l (relaxáció)
A bels csillapítás függése a sebességt l és az id t l (kúszás)
2. SZILIKON ELASZTOMER ALAPANYAGÚ, NAGYRUGALMASSÁGÚ SZENZOR
ZC s
RC sC C
RC sRC CC
Carbon aggregate
1
Vezet szilikon gumi modellje
RA
RC
CC
RA Carbon aggregate
Silicone rubber medium
Cyclical elongonation in tensile test machine
[Ohm]
Fatigue-elongation test
Resistance [Ohm]
Resistance
250
0,95
40 Force [N]
650
Voltage [V]
240
600
35
550
30
0,90 230 220
500
0,85
25
Resistance
450
Resistance
210
20 400
0,80
200
15
Force
350 300
10
250
5
Voltage
190 0,75 180
200
170 0,00
0 0
5
10
15
20
25
30
0,05
Vezet szilikon gumi er -ellenállás jelleggörbéje
170 165 160
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
1,01 Voltage [V] 1,00 0,99 0,98 0,97 Resistance 0,96 Voltage 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,40 Time [s]
0,25
0,30
0,35
0,70 0,40 Time
[s]
1,2
Ciklikus nyújtás el feszítéssel
1,15 350000 Voltage /V
175
0,10
0,20
1,25
Resistance [Ohm]
180
0,05
0,15
Vezet szilikon gumi ciklikus nyújtása el feszítés nélkül
Fatigue-elongation test with extra pretension
155 0,00
0,10
40 Time [s]
35
1,1
300000
1,05
250000 195000
1
150000 0,95 0,9 0,85 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Time/s
Ciklikus hajlító fárasztás
A Pneumatic Muscle mozgásszabályozásához alkalmazott rendszer elve
Pneumatic Muscle
Silicone sensor (patented) Conrol measure of elongation Microcontroller
Pneumatic muscle szabályozásához alkalmazott szilikon gumi nyúlásszenzor
3. BIOLÓGIAI MOZGÁSFORMÁK KUTATÁSA ÉS ALKALMAZÁSA 3.1. ÖNJÁRÓ, PNEUMATIKUS/HIDRAULIKUS SZONDA
Gilisztamozgás, mint az üregszonda mozgásának alapelve
Gilisztamozgáson alapuló, háromkamrás, száler sítéses üregszonda
A szabadalmaztatott, irányítható üregszonda képe
Aktuátor alakváltozása nyomásra (a) és vákuumra(b)
a.,
b.,
Strukturális instabilitás vákuum esetén, próbadarabon
Strukturális instabilitás szimulációja
0.8 0.7
uy/l [mm]
0.6
Rechteck négyszög Halbkreis félkör trapéz Trapez Dreieck furészfog
P1
0.5
P1
P1
P0
P0
0.4 0.3
P1
0.2 0.1
P0
P0
Azonos hosszúságú, különböz profilú aktuátorok összehasonlítása
Harmonika-aktuátorok
pressure regulators vacuum ejector
Miniat r aktuátor szerszáma
valves PLC controller
Az üregszonda vezérlése PLC-vel 1
6
7
robot
A szabadalmaztatott nagyrugalmasságú szonda mozgása cs ben
Testüreg szonda alkalmazása
3.2. SZOFT ROBOTMEGFOGÓK
deflection [mm]
A szoft irányított száler sítéses robotmegfogó mozgásának szimulációja
Deflection of the actuator with inner pressure D=10 mm, d=6 mm, l=100mm
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
longitudinal fibre longitudinal fibre and 1 ring fibre longitudinal fibre and 3 ring fibre longitudinal fibre and 5 ring fibre
0
0.05
0.1
0.15
0.2
pressure [MPa]
Száler sítés hatása a megfogó alakváltozására bels nyomás esetén
4. ÍN-PÓTLÁS
Kézfej-inak
Ín scanning elektronmikroszkópos képe Ín szakító próbatest
Ínszövet elektronmikroszkópos metszete
Mesterséges ín alakjának optimalizálása
450 400 350
Huzóer [N]
300 250 200 150 100 50 0 -50
0
20
40
60
80
100
Elmozdulás [mm] jobb feszít
bal feszít
bal hajlító
jobb hajlító
Szakítópróbák eredményeinek összefoglalása (in vitro inak)
5. MESTERSÉGES SPHINCTEREK
Mesterséges elzáró urológiai alkalmazásra AMS 800
Az urológiai elzáró anális akalmazása
120
A Colon & Rectum 1998-2002 szakfolyóirat beszámolói alapján
A leggyakoribb rendellenességek: A mandzsetta kialakításának mechanikai instabilitása gy r déseket okoz az elzáró felületen
Szimulációk célja: A gy r dés okainak vizsgálata anyag kialakítás Végeredmény: Szövet irritáció Sebképz dés Szöv dmények
Cél: Új, eltér elv , hidraulikus elzáró rendszer kidolgozása
