基于内含液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型的制作方法

本发明属于人体器官仿生技术领域，特别是一种基于内含液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型。

背景技术：

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。

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。

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，与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，其生物力学特性也有很大的区别，存在角加速度与直线加速度的耦合问题，导致角加速度测量不够准确。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于内含液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型，能够避免角加速度与直线加速度的耦合，准确测量角加速度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于内含液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型，包括一个刚性管道9和与所述刚性管道9两端密闭连接的圆环状连接管8，所述刚性管道9水平放置，所述圆环状连接管8从刚性管道4上方越过；

在所述刚性管道9与圆环状连接管8构成的密闭空间内充满液体7；

还包括置于所述刚性管道9中部的柔性弹性体6，所述柔性弹性体6周边与刚性管道9内壁密闭固定连接，将刚性管道9纵向分隔成互不相通的两部分；

还包括包裹于所述柔性弹性体6中的至少二个液体芯有机压电材料球1、4。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

能准确测量角加速度：本发明在结构上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。非常适合于用作人形机器人头部的角加速度。

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

图1是本发明基于液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型的结构示意图。

图2是图1中液体芯有机压电材料球体的结构详图。

图中，液体芯有机压电材料球1、4，柔性弹性体6，液体7，连接管8，刚性管道9，

内层导电液体101，球壳状柔性有机压电材料壳体102，外层导电液体103，球壳状柔性弹性外壳膜104，内层电极引线105，外层电极引线106。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于内含液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型，其特征在于：

包括一个刚性管道9和与所述刚性管道9两端密闭连接的圆环状连接管8，所述刚性管道9水平放置，所述圆环状连接管8从刚性管道4上方越过；

在所述刚性管道9与圆环状连接管8构成的密闭空间内充满液体7；

还包括置于所述刚性管道9中部的柔性弹性体6，所述柔性弹性体6周边与刚性管道9内壁密闭固定连接，将刚性管道9纵向分隔成互不相通的两部分；

还包括包裹于所述柔性弹性体6中的至少二个液体芯有机压电材料球1、4。

如图2所示，

所述液体芯有机压电材料球1包括球壳状柔性有机压电材料壳体102和套装在所述有机压电材料壳体102外的球壳状柔性弹性外壳膜104；

所述有机压电材料壳体102内充满内层导电液体101，柔性弹性外壳膜104与有机压电材料壳体102间充满外层导电液体103。

如图2所示，

还包括一端与内层导电液体101电连接的内层电极引线105、一端与外层导电液体103电连接的外层电极引线106。

优选地，

所述外层导电液体103和内层导电液体101为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。

优选地，

所述液体芯有机压电材料球1、4形状、结构相同。

多个液体芯有机压电材料球1、4均匀分布在柔性弹性体6。

本发明基于内含液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型的工作原理详述如下：

当刚性管道9与圆环状连接管8整体受到受到角加速度作用时，刚性管道9与圆环状连接管8整体产生旋转运动。而内部的液体7具有惯性，向相反方向运动，对柔性弹性体6产生压力，使柔性弹性体6整体产生弯曲变形，包含液体芯有机压电材料球1的一边产生收缩变形，压迫含液体芯有机压电材料球1也产生压迫变形。在含液体芯有机压电材料球1中，由于外层导电液体103和内层导电液体101具有体积不变的特性，压迫有机压电材料壳体102产生变形。由于压电效应，在外层导电液体103和内层导电液体101中产生电荷，输出传感信号。由于压力不同，含液体芯有机压电材料球1将产生不同的电荷。由于液体7对于柔性弹性体6产生压力的方向和大小不同，两侧的液体芯有机压电材料球1和液体芯有机压电材料球4会产生不同大小的传感电荷。根据两侧的液体芯有机压电材料球1和液体芯有机压电材料球4产生传感电荷的大小，可以计算出柔性弹性体6整体产生弯曲变形的方向和大小，进而计算出液体7产生惯性里的方向和大小，最后，计算出刚性管道9与圆环状连接管8整体受到的角加速度的大小和方向。

具体计算过程：2个液体芯有机压电材料球体产生电荷的大小——弹性体的弯曲变形的大小和方向——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。

优点：本传感器完全模仿人体内耳中半规管的结构和功能，能够计算出角加速度的大小和方向，可以用于医学领域，研究人体半规管的功能机制，也可以用于人体半规管的功能检查。也可以用于机器人领域，感知机器人头部的角加速度方向和大小，进而保持机器人在运动中的清晰视觉，感知身体的姿态、维持身体平衡。

技术特征：

1.一种基于内含液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型，其特征在于：

包括一个刚性管道(9)和与所述刚性管道(9)两端密闭连接的圆环状连接管(8)，所述刚性管道(9)水平放置，所述圆环状连接管(8)从刚性管道(4)上方越过；

在所述刚性管道(9)与圆环状连接管(8)构成的密闭空间内充满液体(7)；

还包括置于所述刚性管道(9)中部的柔性弹性体(6)，所述柔性弹性体(6)周边与刚性管道(9)内壁密闭固定连接，将刚性管道(9)纵向分隔成互不相通的两部分；

还包括包裹于所述柔性弹性体(6)中的至少二个液体芯有机压电材料球(1、4)。

2.根据权利要求1所述的人体半规管实体模型，其特征在于：

所述液体芯有机压电材料球(1)包括球壳状柔性有机压电材料壳体(102)和套装在所述有机压电材料壳体(102)外的球壳状柔性弹性外壳膜(104)；

所述有机压电材料壳体(102)内充满内层导电液体(101)，柔性弹性外壳膜(104)与有机压电材料壳体(102)间充满外层导电液体(103)。

3.根据权利要求2所述的人体半规管实体模型，其特征在于：

还包括一端与内层导电液体(101)电连接的内层电极引线(105)、一端与外层导电液体(103)电连接的外层电极引线(106)。

4.根据权利要求2所述的人体半规管实体模型，其特征在于：

所述外层导电液体(103)和内层导电液体(101)为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。

5.根据权利要求1至4之一所述的人体半规管实体模型，其特征在于：

所述液体芯有机压电材料球(1、4)形状、结构相同。

技术总结
本发明公开一种基于内含液体芯有机压电材料球体的人体半规管实体模型，能够准确测量角加速度。本发明的人体半规管实体模型，包括一个刚性管道(9)和与所述刚性管道(9)两端密闭连接的圆环状连接管(8)，所述刚性管道(9)水平放置，所述圆环状连接管(8)从刚性管道(4)上方越过；在所述刚性管道(9)与圆环状连接管(8)构成的密闭空间内充满液体(7)；还包括置于所述刚性管道(9)中部的柔性弹性体(6)，所述柔性弹性体(6)周边与刚性管道(9)内壁密闭固定连接，将刚性管道(9)纵向分隔成互不相通的两部分；还包括包裹于所述柔性弹性体(6)中的至少二个液体芯有机压电材料球(1、4)。

技术研发人员：边义祥;王智;姜亚妮;郑再象;郭广明;朱林;吴志学;刘冬稔;王昌龙;陈文家
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2020.10.29
技术公布日：2021.03.19