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研究人体食道蠕动仿生装置的目的是通过工程技术手段,模拟人体食道的蠕动运动,量化食团物理性质和蠕动动力学性能的关系。该装置将为食品分级以及为吞咽困难患者进行饮食调整提供一种定量的技术途径。为能够客观地反映蠕动性能和食团物理性质的相互影响关系,该蠕动装置产生的蠕动挤压力、蠕动速度以及形变特征需符合人体食道蠕动运动相关指标。目前的食道蠕动仿生装置在结构形式、材料组成和驱动方式等方面各不相同,不能同时满足关于蠕动挤压力、速度和形变的性能要求。为解决这一问题,提出一种四腔层叠式气驱动软体蠕动装置。针对该新型食道蠕动仿生装置,展开了结构设计、形变理论模型、形变性能试验及吞咽性能模拟试验等一系列的研究工作。为了克服现有食道蠕动装置在蠕动压力、速度和连续蠕动方面的不足,提出并实现了一种四腔层叠式气动软体结构模拟人体食道蠕动装置。该装置采用弹性橡胶材料、每层由模拟食道的圆柱孔和四周均布的4个气动驱动容腔组成,沿着通道轴向层叠了十二层相同结构,在逐层通气时可以实现模拟食道的径向柔顺收缩和轴向的连续柔顺蠕动。为确定蠕动装置的关键结构参数,运用有限元仿真软件对四腔层叠式软体结构在气压力作用下的形变进行了仿真分析。根据仿真结果,制备了人体食道蠕动仿生装置样机。样机的食团通道长250mm,内径20mm,与成人食道尺寸接近。为了实现气压驱动时模拟食道径向和轴向按照功能需求进行连续光滑的收缩、蠕动控制,研究并建立了用于四腔层叠式气驱动软体蠕动控制的数学模型。控制模型由蠕动装置大变形模型和食团内部压力模型两部分组成。为了提高算法的时效性,考虑弹性单元的几何形变、力平衡系统以及弹性微元力平衡,提出了七个长方体弹性单元构成的软体结构的几何简化模型,获得了食道蠕动仿生装置软体结构受力变形的数学表示。分析结果表明:当按不同规律改变气体输入压力时,模拟食团通道可以获得光滑连续形变,实现预定的功能。同时,建立了食团在流动过程中内部压力的数学模型,获得了食团内部压力与其在模拟食道中所处的位置和动态参数相关的结果。这些结果为在不同食团粘度条件下实现顺畅的食道蠕动功能奠定了基础。为了测试四腔层叠式气驱动软体蠕动装置的基本特性和食道蠕动吞咽功能,设计了食道蠕动仿生装置的径向收缩特性试验系统和吞咽试验系统。装置气腔内压力通过气动压力比例阀控制,食团通道内壁的形变数据由电磁式发音动作扫描仪采集。对装置样机的径向收缩变形性能进行了试验研究,分析了气腔加压层数和腔内压力对装置样机内壁形变的影响。试验结果表明:蠕动装置食团通道内壁的形态可以通过气腔内压力调节,当三层腔室内压力按阶梯式大小排列时,蠕动装置样机通道内壁形变连续;当三层压力同时达到约64kPa时,通道内壁的径向位移达到约8mm,蠕动装置能够通过充气腔膨胀变形,闭合食团通道,实现径向收缩功能。在七个传感线圈对应位置上,装置形变试验结果和理论模型之间的平均相对误差都小于10%,最小平均相对误差为2.1%。进行的吞咽试验表明:在食团粘度0.8Pa·s至16.0Pa·s的区间里,装置样机的蠕动动力学特性与人体蠕动试验动力学特性相符——食团内部压力IBP值在0.15kPa至6.2kPa之间,且随着食团粘度增大而增大;最大挤压力MILP的最小值约为22kPa,满足大于4kPa设计指标,MILP和食团粘度没有明显关联;压力指标PFI随食团粘度增加而增加。试验结果表明所研究实现的四腔层叠式气驱动软体蠕动装置满足模拟食道的技术需求指标。