仿生角加速度传感器设计及传感特性研究

王 智,陆施恩,李文康,边义祥，姜亚妮

(扬州大学 机械工程学院,江苏 扬州 225127)

0 引言

内耳(又称迷路)由骨迷路和膜迷路构成，位于颞骨岩部，其结构复杂，其中内耳膜迷路的膜半规管是人体感知角位移运动的重要器官。膜半规管包括前膜半规管、外膜半规管和后膜半规管，3个半规管直接与椭圆囊相连，相互接近垂直。各自的膨大称为壶腹，其内壁的隆起称为壶腹嵴。壶腹帽盖在壶腹嵴上，它是由支持细胞分泌的糖蛋白所组成的胶状物[1]。当膜半规管随人体进行旋转运动时，内淋巴由于惯性作用会进行相对半规管的流动，促使壶腹帽变形，经壶腹嵴中纤毛感知细胞转换为神经信号，引起人体对旋转运动的感知[2]。

近年来对人体前庭系统传感器的研究方案主要分为两种：

1) 利用现有的传感技术和信号处理技术，设计制备出与人耳壶腹嵴感知功能类似的模型，从功能的角度对人体半规管进行探究[3-5]。

2) 通过模仿人耳半规管的生理结构，从内外部结构入手，制备出与人体器官外观相似、功能相近的仿生壶腹嵴，并对其进行实验探究[6-7]。

基于对半规管内部结构和工作机理的仿生设计，提出了一种角加速度传感器的制备方法。人体半规管系统中最关键的感受器是壶腹嵴胶顶中的感知纤毛细胞。由于壶腹嵴胶顶尺寸较小，且胶顶在运动变形过程中对传感器柔性存在一定要求，故选用表面对称电极含金属芯聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)代替纤毛细胞作为仿生半规管中的感觉器官。

在传感器系统中，仿生膜半规管管壁及内淋巴部分保持其机械属性与人体一致，SMPF纤维输出电荷可以反应壶腹嵴胶顶结构的受力变形结果。该角加速度传感器在几何尺寸、内部结构和工作原理上与人体半规管基本一致，频率响应特性与人体接近，因此适用于人体运动感知，同时基于传感器结构参数，可进一步应用于前庭系统相关病理学说[8]的研究及治疗手段[9-10]的开发。

1 仿生角加速度传感器的设计制备

1.1 含SMPF纤维传感器制备

人耳壶腹嵴纤毛感知细胞在感知壶腹嵴胶顶变形时，向神经传入纤维输出电信号，基于其结构特点和工作机理，选用SMPF纤维传感器[11]作为角加速度传感器信号发生器官，如图1(a)所示。该仿生纤毛传感器主要由金属芯、PVDF和表面对称电极构成。其制备过程如下：

1) 采用熔融纺丝法，将PVDF融化后均匀包裹在直径为∅0.08 mm的金属丝表面，冷却后得到含金属芯的PVDF纤维。

2) 在PVDF层两侧涂镀导电银漆，作为对称电极。

3) 通过极化处理增强了对称电极区域的压电性能，最后通过金属丝引出SMPF的两个对称电极，获得SMPF纤维传感器。

图1 SMPF纤维传感器结构及传感器仿生壶腹嵴结构

模仿人体壶腹嵴胶顶结构，用弹性硅胶薄膜代替人体壶腹嵴胶顶，3D打印的刚性外壳作为传感器膜半规管部分外壳。与人体感知纤毛细胞一致，SMPF纤维传感器底部固定在刚性外壳中，并引出金属丝输出电信号；纤维主体部分被绝缘橡胶包裹，保证纤维传感器与仿生半规管内淋巴(水)隔离，同时壶腹嵴薄膜的变形能促进纤维变形，以便产生电信号。

1.2 仿生半规管系统的设计制备

虽然内耳解剖复杂，显示困难，但通过影像学的重建技术，可清晰显示内耳的结构、形态、空间方向，重建其三维模型[12-13]，且伴随3D打印技术与材料的发展，对膜半规管内部复杂内腔的一体化制备变得可行。人体半规管的各项物理尺寸如表1所示。

表1 仿生半规管模型尺寸

传感器内壁采取了与人体生理结构近似1∶1的比例关系，以及更贴近生理结构的制备方法。其具体制备过程主要分为两部分：

1) 制备膜半规管细管部分。已知人体膜半规管的内径为∅0.3 mm，长度约为22 mm。由于半规管孔径尺寸过小，选取直径为∅0.3 mm的金属丝作为型芯，使用E610型硅橡胶等比例混合后，填充至模具中固定。待硅橡胶凝固后，抽出金属丝，将硅橡胶从模具中挑出，得到内径∅0.3 mm的硅橡胶软管，如图2(a)所示。

2) 根据膜半规管壶腹部分的生理结构，设计制备传感器壶腹部分壳体。由于每个半规管都与椭圆囊相连，所以将椭圆囊列入此次制作的人工一维壶腹结构中，与人耳生理结构更相似。由于人体膜壶腹几乎充满骨壶腹的全部空间，导致膜壶腹的弹性有限，因此，该人工一维壶腹嵴的壶腹部分仍采用刚性结构，采取3D打印方式制备“壶腹-椭圆囊”刚性外壳装配体。将制备好的含金属芯壶腹嵴胶顶与人工壶腹完成装配，并以101胶进行密封，如图2(c)所示。

将步骤1)中的∅0.3 mm硅橡胶软管与步骤2)中的人工壶腹进行连接。由于人体内淋巴液机械属性与水接近[16]，因此，本仿生模型选用水溶液代替内淋巴，分别向硅橡胶软管及人工壶腹两端注射水溶液。在水溶液浸泡环境下，将硅橡胶软管与人工壶腹两端连接,并用水下粘贴胶水密封连接处外壳。经过密封性检测后，仿生角加速度传感器实体如图2(d)所示。

图2 传感器壳体制备

1.3 仿生传感器的理论模型

分解人体三维半规管，取一个法平面内的半规管模型进行分析，如图3所示。

图3 半规管一维截面示意图

当一维半规管受到角位移刺激时，对其内部流体运动取运动微分方程：

(1)

(2)

(3)

f=2πρR2

(4)

Δp=KQc

(5)

式中：Qc为壶腹嵴体积位移，本模型中内淋巴体积位移与壶腹嵴体积位移相等；M为内淋巴质量系数；ρ为内淋巴密度；l为半规管弧长；Ad为细管横截面积；C为半规管阻尼系数；μ为内淋巴粘度；f为内淋巴角动量系数；R为半规管整体半径；ω为半规管角速度；Δp为壶腹帽两侧压力之差；K为壶腹帽的弹性系数。

式(1)可改写为

(6)

对式(6)进行拉普拉斯变换：

fsW(s)=Ms2Q(s)+CsQ(s)+KQ(s)

(7)

取：

(8)

(9)

(10)

(11)

当传感器受到匀加速角位移刺激时，取角速度为

W(t)=kt

(12)

对角速度进行拉氏变换，并将作为输入与传感器系统串联：

(13)

Q(s)=G(s)·W(s)

(14)

将式(14)代入Matlab做拉普拉斯反变换，求解得：

Q(t)=ilaplace(G(s)·W(s))

(15)

(16)

由式(16)可知，Q(t)与k成线性关系，由此说明，仿生传感器壶腹嵴偏移与系统角加速度成线性关系。

2 仿生传感器性能检验

2.1 人工一维壶腹嵴结构实验平台的搭建

仿生角加速度传感器的内部结构、工作机理及工作对象都贴近人体参数设计，因此，对传感器的性能检验同样需要模仿人体头部的旋转运动。由激振器配合齿轮、齿条装置，对仿生半规管输入正弦、阶跃角位移刺激。在半规管运动过程中，为排除附加直线加速度对壶腹嵴胶顶运动的影响，半规管主体平面法线及几何中心与齿轮旋转轴重合，整体实验装置如图4所示。系统输入角位移由激光位移传感器采集，SMPF输出信号经电荷放大器后由数据采集卡采集。

图4 实验系统搭建

2.2 实验结果与分析

2.2.1 传感器加速度感知特性

模拟人体头部在日常生活中的主要动作，如摆头和转向，对角加速度传感器分别输入正弦角位移刺激和冲击角位移刺激。通过激振器对齿轮齿条施加不同幅值的角位移信号(0.05～10 mm，频率固定为1 Hz)，使半规管绕几何中心摆动。系统的输入(半规管角位移)由激光测距仪记录,如图5(a)、(c)所示。

齿条的位移数据(即齿轮旋转时对应的弧长)由激光位移传感器读取。经计算，单位弧长对应的半规管旋转弧度为0.034 5 rad/mm。将实验测得的位移数据通过Origin进行二次求导后得到旋转角加速度，并与该实验中SMPF的输出信号进行拟合，系统输出信号幅值与角加速度输入幅值的对应关系如图5(b)、(d)所示。

图5 系统的输入输出信号

SMPF的输出信号与硅橡胶膜的变形成线性关系[17]。通过正弦及冲击信号刺激，可以认为壶腹嵴胶顶变形与系统输入角加速度成线性关系，与二阶过阻尼扭摆模型结论一致。

2.2.2 传感器固有频率研究

角加速度传感器的固有频率对其工作过程中信号输出影响较大，因此，采用扫频实验确定系统固有频率。基于压电材料的传感特性及实验系统的负载能力，保持系统输入幅值不变(0.5 mm),对仿生半规管输入0.5～15 Hz的正弦刺激(人体常规运动频率约为0.5～5 Hz)，并记录SMPF输出信号的响应幅值，得到仿生角加速度传感器的幅频响应特性，如图6所示。传感器系统的固有频率为11.6 Hz，对人体常规运动过程中的频率信号有较好的感知能力。

图6 SMPF信号输出与角位移输入频率对应关系

3 结束语

本文基于人体半规管仿生设计和SMPF压电纤维的应用，提出了一种仿生角加速度传感器的设计与制备方法，并基于传感器系统的制备及实验对其工作原理和性能进行检验。

在人体常规运动刺激下，传感器系统表现出对角加速度相对敏感[18]，SMPF感知信号和系统输入角加速度呈线性关系，与二阶过阻尼系统模型推断相适应。

通过不同频率的正弦角位移刺激，测试摆头实验中半规管系统的频率特性。实验结果表明，仿生半规管传感器表现出的幅频特性与人体贴近。

基于1∶1仿生半规管的传感器系统，可以最大程度地还原人体半规管的工作性能，相信在未来的研究中，本传感器可用于各种前庭平衡性疾病的体外实验研究，通过测量SMPF壶腹帽结构的变形，以检验相关病理学说及治疗手段。