摘要
半规管是人体内耳的重要组成部分，由外向内分别为骨半规管和膜半规管。骨半规管与膜半规管之间充满外淋巴液，膜半规管内充满内淋巴液。单根膜半规管的结构由近2/3的环状管、一脚相通的椭圆囊和一脚膨大的壶腹组成，壶腹内存在壶腹嵴。人体通过壶腹嵴嵴顶的凹凸变形，能够感知头部的角加速度。由于膜半规管位于前庭系统内部，且结构复杂、体积较小，其结构和功能的关系至今仍不明确。 本课题模仿膜半规管的生物结构，采用自制的表面对称电极含金属芯PVDF纤维(Symmetric Metal core PVDF fiber，SMPF)制备仿生纤毛传感器，并以1∶10的比例，设计制备了仿生膜半规管实体模型。基于此模型，建立了仿生膜半规管的角加速度感知理论模型，研究了仿生膜半规管的结构和功能关系，并进行了实验验证。具体的研究内容如下: 1)模仿膜半规管中毛细胞纤毛的结构，设计制备了SMPF仿生纤毛传感器。采用第一类压电方程，建立了悬臂梁结构SMPF的弯曲变形传感理论模型，并进行了实验验证。结果表明，SMPF传感器可以感知自身弯曲变形的波形、幅值、频率等参数。 2)将SMPF仿生纤毛传感器埋入硅橡胶中，设计制备了仿生壶腹嵴，并将仿生壶腹嵴安装在直管中，设计制备了仿生膜半规管直管。建立直管的直线加速度传感理论模型，经实验验证，结果表明，SMPF仿生纤毛传感器能够感知仿生壶腹嵴嵴顶凹凸变形的波形、频率、振幅等参数，且输出信号的幅值和嵴项中心点位移成线性关系。 3)模仿人体膜半规管的结构，将仿生壶腹嵴安装在壶腹位置，采用3D打印制备膜半规管壳体的方法制备了仿生刚性膜半规管，采用AB胶制备膜半规管壳体与3D打印制备骨半规管壳体的方法制备了仿生弹性膜半规管。当两类仿生膜半规管在水平面内实验测试时，采用质量块-弹簧-阻尼系统，建立了两类仿生膜半规管的角加速度传感理论模型，并搭建实验系统，进行了实验验证。实验结果表明，两类仿生膜半规管能够感知正弦信号角加速度激励下的波形、频率、幅值等参数，且输出信号的幅值和角加速度值成线性关系。在同等激励条件下，仿生刚性膜半规管的输出信号的幅值大于仿生弹性膜半规管的输出信号的幅值。在垂直面内，两类仿生膜半规管也可以感知角加速度，且输出信号的幅值和仿生壶腹嵴所在角度呈正弦关系。 理论传感模型和实验结果都表明，本课题设计制备的两类仿生膜半规管能够感知角加速度，且膜半规管在传感模型中可以模拟为弹簧元件，在膜半规管的运动过程中，起到缓和冲击、吸收储存能量的作用。
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