Конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами

Изобретение относится к области бионики и может найти применение в протезировании и робототехнике, в частности при создании бионических конечностей, манипуляторов и экзоскелетов.

По мере изучения возможностей применения в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живого организма, приходится сталкиваться с новыми вопросами, ответы на которые можно получить как с использованием уже известных научных и технических подходов, так и на данный момент неизученных.

Функционирование наиболее перспективного вида бионических протезов, на который, по мнению автора, в первую очередь следует обратить внимание ученых умов, осуществляется за счет электрохимических процессов и использования материалов с подходящими физико-химическими свойствами. Данные бионические протезы по сравнению с существующими на этот момент электронными имеют множество преимуществ, которые заключаются в возможности управления конечности электрическими импульсами, идущими непосредственно от нерва, большой точности и пластичности движений, возможности осязать и чувствовать температуру, более низком времени отклика исполнительных органов, хорошей приживаемости, отсутствии необходимости использовать источники питания, более простой конструкции и возможности самовосстановления.

Вместе с тем существуют проблемы технического характера, которые могут сильно затруднить внедрение в производство данного вида бионических протезов.

Известна бионическая конечность, содержащая искусственный скелет, представляющий собой изделия в форме костей, соединенные между собой шарнирно, а также соединенные прикрепленными к ним исполнительными органами, в качестве которых служат искусственные мышцы, представляющие собой среду из, по меньшей мере, одного полиорганосилоксана, прошитую одной или более нитями, по крайней мере, одного интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном, в качестве элементов, передающих входящий сигнал, служат искусственные нервы, по крайней мере, двух типов, выбранных из группы: чувствительные, двигательные и смешанные, причем искусственные нервы представляют собой среду из, по крайней мере, одного органического электропроводящего полимера, упомянутая среда обладает сквозной пористостью с порами, заполненными раствором ионов натрия и калия, и обвита, по крайней мере, одним слоем полимерного диэлектрика, двигательные и/или смешанные искусственные нервы одним концом либо в целостном состоянии, либо в разветвленном вшиты в искусственные мышцы таким образом, что оголенные от полимерного диэлектрика части искусственных нервов имеют соприкосновение с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном, чувствительные и/или смешанные искусственные нервы одним концом присоединены к матрице из пьезоэлектриков, на другие концы всех искусственных нервов нанесена катионнообменная мембрана, пропускающая ионы щелочных металлов.

В данном изобретении конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами, взятая за прототип, предусматривает соединение оголенных от полимерного диэлектрика частей искусственных нервов с нитями интерметаллидов и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном искусственных мышц посредством соприкосновения (RU 2559417 C1, A61F 2/54, 10.08.2015).

Для обеспечения передачи электрического импульса в такой конструкции необходимо, чтобы нити интерметаллидов и волокно соприкасались с искусственными нервами либо несколько раз, либо на большом протяжении. Данная конструкция представляет собой участок цепи с параллельным соединением проводников - электропроводящего полимера и нитей интерметаллидов и нейлонового и/или полиэтиленового волокна. Поскольку электропроводность интерметаллидов с памятью формы выше, чем у электропроводящих полимеров, для которых максимальная известная электропроводность составляет порядка 80000 См/см (у полиацетилена), основной ток будет протекать через интерметаллидные нити. Однако ввиду более низкой электропроводности нейлонового и полиэтиленового волокон при подаче нервного импульса на участке цепи с параллельным соединением через них будет проходить лишь незначительный ток.

Учитывая, что величина тока, протекающего в живых и искусственных нервах, незначительная, а при передаче искусственным мышцам становится еще меньше, возникает необходимость использовать очень тонкое и высокочистое волокно. В противном же случае эффект сокращения волокна под действием импульсов тока будет ничтожно малым.

Малейшее увеличение толщины волокна и наличие в нем примесей может привести к резкому снижению дееспособности бионической конечности. Ограничения по толщине и чистоте материалов усложняет процесс ее изготовления и увеличивает себестоимость, а также снижает ее надежность, поскольку в таком случае необходимо использовать меньшее количество интерметаллидных нитей и волокна меньшей толщины.

Задачей предложенного изобретения является разработка конструкции соединения искусственных нервов с искусственными мышцами, повышающая эффективность передачи нервных импульсов исполнительным органам.

Техническим результатом предложенного изобретения является увеличение скорости сокращения искусственной мышцы, ее расслабления при прекращении нервного импульса, повышение ее надежности.

Технический результат достигается за счет того, что предложена конструкция соединения искусственных нервов с искусственными мышцами, в которой оголенные от полимерного диэлектрика 1 части искусственных

нервов 2 соединены с нитями интерметаллидов 3, при этом в электропроводящий полимер искусственного нерва встроен термоэлектрический преобразователь 5 по схеме последовательного соединения, который соединен с нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном 4.

Сущность предложенной конструкции соединения искусственных нервов с искусственными мышцами представлена на чертеже, на котором показаны следующие элементы:

1 - слой полимерного диэлектрика, нанесенного на токопроводящий полимер,

2 - участок искусственного нерва с оголенным токопроводящим полимером,

3 - нити интерметаллидов с памятью формы,

4 - нейлоновое и/или полиэтиленовое волокно,

5 - термоэлектрический преобразователь (элемент Пельтье).

Обеспечение соединения нейлонового и/или полиэтиленового волокна 4 искусственной мышцы с искусственным нервом через термоэлектрический преобразователь (элемент Пельтье) 5, преобразующего электричество в тепловую энергию, увеличит чувствительность данного волокна к импульсу, поскольку ему свойственно в большей степени сокращаться под прямым тепловым воздействием, нежели при нагревании током, причем по схеме параллельного соединения, и повысит как скорость сокращения мышцы, так и скорость ее расслабления, что объясняется следующим. При прекращении нервного импульса за счет остаточного тока, обусловленного током заряжения двойных электрических слоев, образующихся на мембране аксона живого нерва или же на границе раствора ионов натрия и калия и электропроводящего полимера искусственного нерва (RU 2564558 C1, A61F 2/00, 10.10.2015), и протекающего в обратном направлении, будет происходить в некоторой степени охлаждение соприкасающейся с волокном стороны термоэлектрического преобразователя, что сократит время расслабления искусственной мышцы за счет более быстрого остывания волокна - таким образом снизится вероятность эффекта, схожего с миотонией (болезнью Томсена) живых мышц.

Образование двойного электрического слоя на межфазной границе электропроводящий полимер/раствор ионов натрия и калия при протекании через искусственный нерв тока, в свою очередь, является очевидным вследствие энергетически неравноценного состояния ионов на границе фаз и в объеме раствора. Двойной электрический слой также возникает на границах живых нервных волокон, что объясняется малой пропускной способностью мембраны по отношению к ионам натрия, концентрация которых вне клетки значительно больше, чем внутри нее (Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Современная электрохимия. М., Наука, 1965, с. 82), однако данный слой отвечает, в первую очередь, за формирование мембранного потенциала нейрона в невозбужденном состоянии (потенциала покоя). Остаточный же ток, позволяющий охладить рабочую поверхность элемента Пельтье, образуется в большей степени за счет двойного электрического слоя на границе раствора ионов натрия и калия и электропроводящего полимера искусственного нерва.

Размещение термоэлектрического преобразователя 5 в искусственном нерве по схеме последовательного соединения («токопроводящий полимер-термоэлектрический преобразователь - токопроводящий полимер») увеличит количество тепловой энергии, передаваемой волокну, поскольку особенностью данного типа соединения является то, что во всех его элементах протекает один и тот же ток.

Чтобы не перекрывать сквозную пористость искусственного нерва, термоэлектрический преобразователь 5 может быть выполнен, например, в виде кольца.

Таким образом, специалисту очевидно, что соединение нейлонового и/или полиэтиленового волокна с искусственным нервом через встроенный в него термоэлектрический преобразователь (элемент Пельтье) увеличит

чувствительность данного волокна к нервным импульсам, и, следовательно, увеличит скорость сокращения и расслабления искусственной мышцы и также повысит ее надежность как за счет более высокой электрочувствительности, так и за счет возможности увеличить толщину волокна.