一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺

技术领域

本发明涉及改善人工肌肉输出力技术领域，特别是涉及一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺。

背景技术

仿生学是近些年来十分热门的研究课题，传统的人工肌肉改性主要是通过加入生物交联剂等方式对驱动层的离子通过率进行改善，但是一些生物交联剂具有毒性，改性效果与理论效果有差距，且有些交联剂价格昂贵。在人工肌肉产生输出力的同时，也会伴随一系列的肌肉输出力震颤行为。所以，亟需一种操作简单、工作效率高且输出力改善效果好的改善工艺。

研究发现，中草药多糖类交联剂价格便宜、原材料易获取，目前已应用于生物医学、药物产业、生理移植等领域。利用中草药对凝胶类驱动膜进行改性的方式，大大提高了驱动膜的机械性能、韧性和力学性能等。

针灸法在中医学中通过疏通经络、腧穴的传导作用，以及应用一定的操作手法来治疗全身疾病，效果迅速且显著，操作方法简单易行，可以提高抗病能力，并具有镇痛、镇静作用。因此，开发一种操作简便、绿色环保、生产效率极高的人工肌肉输出力改善工艺，用以提升人工肌肉的输出力性能，对仿生人工肌肉生产工艺的多样化和输出力性能改善，提供了创新的理论基础和研究思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺，其原理清晰明了且操作便捷简单，运用了中草药多糖交联与类针灸的方式，得到了一种结构简单、离子通过率大、附着性好、拉伸强度高、可以产生优异电响应性能且输出力大小与震颤特性均有所改善的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉。

为实现上述目的，本发明提供了一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺，包括以下步骤:

S1、将甘草多糖提取物交联天然高分子聚合物海藻酸钠制得驱动膜溶液；

S2、将步骤S1所得的驱动膜溶液注入肌纤维模具中，并将模具放入真空干燥箱中恒温干燥，得到无生物毒性且响应性能良好的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜；

S3、参照中医学针灸法采用类针灸的方式，将银针进行加热，再对制得的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜进行活性疏通，对仿鱿鱼肌纤维人工肌肉进行改性。

优选的，S1步骤中，所述驱动膜溶液的制备方法如下：

(1)向40mL蒸馏水中加入0.6g海藻酸钠，并加入2mL丙三醇作为保湿剂，置于磁力搅拌器上，并用50℃水浴匀速搅拌60min，直至完全溶解并搅拌均匀；

(2)向10mL蒸馏水中加入0.2g甘草多糖并置于磁力搅拌器上，用50℃水浴匀速搅拌10min，待搅拌均匀后加入到步骤(1)中的海藻酸钠溶液中继续搅拌30min得到驱动膜溶液。

优选的，所述肌纤维模具使用3D打印技术成型。

优选的，步骤S2中，所述仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜的制备方法如下：

将制备好的驱动膜溶液倒入肌纤维模具中，将肌纤维模具放入真空干燥箱恒温干燥，设置干燥温度为70℃，待干燥结束后，从模具中取出干燥好的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜。

优选的，S3步骤中，所述改性方法如下：

把干燥好的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜平放在实验台上，将三种直径分别为0.16mm、0.22mm和0.35mm的银针轻插入仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜的交联离子通道处，然后将其放入真空干燥箱内进行80℃自愈合，以使得人工肌肉经过微观结构自修复的二次成型，使其内应力得到很好的释放，将仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜从真空干燥箱中取出，并进行切样、保存。

优选的，所述海藻酸钠浓度90％，所述丙三醇浓度≥99.0％，所述甘草多糖浓度50％。

本发明所述的一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺的优点和积极效果是：

1、采用甘草多糖和海藻酸钠交联的方式制备仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜，甘草多糖提取物易获取、价格便宜、操作简便，在制备过程中无不良反应，且制备后的驱动膜溶液无气泡、质地均匀，从而达到减轻重量、提高工作效率、增加使用寿命、提升力学性能等效果，降低了制备成本，节省了制备时间。

2、采用类针灸疏通活性的方式对仿鱿鱼肌纤维人工肌肉进行改性。类针灸法可以对仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的驱动膜进行交联离子通道处活络，使离子通道更为通畅，提高其内部的离子通过率，提高了仿鱿鱼肌纤维人工肌肉本身的力学性能和机械性能，同时改善了伴随产生的输出力震颤行为。结合甘草多糖与海藻酸钠交联及类针灸改性后的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的偏转和翻转程度高，有更优异的电响应性能，取代了传统的单一交联改性方式，为仿生人工肌肉生产工艺的多样化和输出力性能改善，提供了创新的理论基础和研究思路。

3、鱿鱼的肌纤维直径小、肌原纤维含量多、收缩力强且收缩迅速，对其肌纤维进行仿生设计的人工肌肉能够有效地克服本身易疲劳、收缩力小且不能持久等一系列问题，结合甘草多糖与海藻酸钠交联及类针灸改性后的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉提高了活性，进而能够很大程度提升抗疲劳性能，这对于以往的机械疲劳问题和输出力震颤行为的改善，有着创新的解决思路。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺的流程图；

图2是本发明仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉结构图；

图3是本发明仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉驱动膜内部纤维结构图；

图4是本发明仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉驱动膜表层结构图；

图5是本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉和对照组仿生人工肌肉输出力特性的对比图；

图6是本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉和对照组仿生人工肌肉震颤特性的对比图；

图7是本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉和对照组仿生人工肌肉弹性模量的对比如图；

图8是本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉和对照组仿生人工肌肉偏转位移的对比图。

附图标记：

1、驱动膜表层结构；2、驱动膜内部纤维结构；3、交联离子通道。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步描述。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明提到的上述特征或具体实例提到的特征可以任意组合，这些具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺的流程图，如图所示，本发明提供了一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺，包括以下步骤:

S1、将0.2g甘草多糖(50％)提取物交联0.6g天然高分子聚合物海藻酸钠(90％)制得驱动膜溶液；

S2、将S1步骤所得的驱动膜溶液注入肌纤维模具中，肌纤维模具使用3D打印技术成型，并将肌纤维模具放入真空干燥箱中恒温干燥，得到无生物毒性且响应性能良好的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜；

S3、参照中医学针灸法采用类针灸的方式，将银针进行80℃加热，再对制得的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜进行活性疏通，对仿鱿鱼肌纤维人工肌肉进行改性。使其离子通过率大、拉伸强度高、偏转和翻转程度高、结构精巧、重量轻、附着性好，即具备优异的电响应性能。

首先，采用甘草多糖交联天然高分子聚合物海藻酸钠制备驱动膜溶液。称量0.6g海藻酸钠(90％)，将其倒入40mL蒸馏水中，先用磁力转子轻搅，然后将转子放入烧杯，将烧杯置于磁力搅拌器之上进行水浴加热，设置磁力搅拌器的温度为50℃，转速为600r/min，在均匀搅拌60min后向烧杯中滴加2ml丙三醇(≥99.0％)作为保湿剂，使制得的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜柔软且性能良好。然后，称量0.2g甘草多糖(50％)，将其倒入10ml蒸馏水中，置于磁力搅拌器之上，同样以50℃水浴搅拌10min。在甘草多糖搅拌均匀后，将其加入到海藻酸钠溶液中，再次进行30min水浴加热搅拌后，得到仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜溶液。

其次，利用3D打印技术构筑仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜。将制得的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜溶液倒入3D打印成型的鱿鱼肌纤维模具中，将其置于真空干燥箱内恒温干燥，设置真空干燥箱的温度为70℃，干燥时间为28h。待驱动膜溶液干燥后，将模具从真空干燥箱中取出，打开模具，得到仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜。

鱿鱼的肌纤维具有直径小、肌原纤维含量多、收缩力强且收缩迅速等优点，对其肌纤维进行仿生设计的人工肌肉能够有效地克服本身易疲劳、收缩力小且不能持久等一系列问题。

最后，采用类针灸方式对仿鱿鱼肌纤维人工肌肉进行改性。将三种直径尺寸分别为0.16mm、0.22mm和0.35mm的银针轻插入仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜交联离子通道处，然后将其放入真空干燥箱内进行80℃自愈合，这使得人工肌肉经过微观结构自修复的二次成型，使其内应力得到很好的释放，也疏通了驱动膜内部的离子通道，使其离子迁移速率有所提升，这在提升了人工肌肉输出力的同时改善了其震颤特性。干燥后将其从真空干燥箱中取出，此时仿鱿鱼肌纤维人工肌肉制备完成。如图2-4所示，图2是本发明仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉结构图，图2中的1为仿鱿鱼肌纤维驱动膜的表层结构，2为仿鱿鱼肌纤维驱动膜的内部纤维结构。图3中的3仿鱿鱼肌纤维驱动膜的交联离子通道。通过针灸法对仿鱿鱼肌纤维人工肌肉驱动膜的交联离子通道处活络，使离子通道更为通畅，提高其内部的离子通过率，提高仿鱿鱼肌纤维人工肌肉本身的力学性能和机械性能。

对比例

与实施例的不同之处在于以纯海藻酸钠为基底制备驱动膜溶液，其它均铜实施例，制得对照组仿生人工肌肉。

性能测试

将制得的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉和对照组仿生人工肌肉分别平放于实验台之上，用小刀切割成40mm×10mm×5mm的样件，以便后续进行输出力、拉伸和偏转位移等测试，以便分析其电响应性能及输出力震颤改善情况。

一、输出力

将制备好的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉样件和对照组仿生人工肌肉样件分别夹于实验升降台，测试端留有30mm，伸出使其恰好与电子分析天平接触，当电子分析天平出现示数时将其清零，立即接通电源，测试周期为一个单周期2400s，此时电子分析天平产生的示数即仿鱿鱼肌纤维人工肌肉样件的初始输出力参数，此参数与样件质量的比值即为仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的输出力密度。

将输出力密度导入Origin中并绘制曲线，曲线的最高点与坐标轴原点连线的斜率即为仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的输出力响应速度，曲线的稳定程度对应其震颤程度。在恒定电位下，得到仿鱿鱼肌纤维人工肌肉和对照组仿生人工肌肉的力学特性对比如图5-6所示。

从图5中的(1)(2)可知，本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的输出力响应速度达到0.094mN/g·s，输出力峰值达到21.95mN/g，而对比例制得的对照组仿生人工肌肉的输出力响应速度和输出力峰值明显的低于本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉。

由图6可知，本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的震颤幅度为12.38％，震颤频率为1.09次/min，结合图5中的(1)可知本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的输出力密度曲线较为平缓稳定。而对照组仿生人工肌肉的震颤幅度和震颤频率均高于本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉，并且由其输出力密度曲线可以看出其震颤特性比较明显，即本发明的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉更为稳定。

二、拉伸

在制备好的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉样件和对照组仿生人工肌肉样件的两端分别贴置实验用磨砂纸，将其夹持与万能材料试验机上进行拉伸测试，当样件被拉断时，试验结束。

将窗口采集到的数据导入Origin中并绘制曲线，曲线线性拟合后的斜率即为此样件的弹性模量。而输出力测试中，输出力密度平稳的持续时间即仿鱿鱼肌纤维人工肌肉样件的工作寿命。仿鱿鱼肌纤维人工肌肉和对照组仿生人工肌肉的工作寿命与弹性模量对比如图7所示。

由图7可知，本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的工作寿命达到203s，有效工作时间较长，而对照组仿生人工肌肉的有效工作时间明显的短于本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉。

本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的弹性模量为13.67Mpa，而对照组仿生人工肌肉的弹性模量明显的高于本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉。

三、偏转位移

将实验升降台水平放置，以与输出力测试相同的夹持方式夹持仿鱿鱼肌纤维人工肌肉样件和对照组仿生人工肌肉样件，然后将激光位移传感器水平置于样件前方3mm处(在激光位移传感器量程范围内)，接通电源，使电位达到4V，测试时间为一个单周期2400s，通过数据窗口采集偏转位移数据，倒导入Origin中并绘制曲线。仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的对照组仿生人工肌肉偏转位移对比如图8所示。

由图8中可知，本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉由输出力产生进而引发的偏转位移达到6.36mm，而对照组仿生人工肌肉的偏转位移明显的低于本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉，即本发明仿鱿鱼肌纤维人工肌肉即具备了优异的电响应性能。

综上，本发明提供的一种类针灸仿鱿鱼肌纤维的人工肌肉输出力改善工艺，明显的改善了仿鱿鱼肌纤维人工肌肉本身的力学性能和机械性能，同时改善了伴随产生的输出力震颤行为，结合甘草多糖与海藻酸钠交联及类针灸改性后的仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的偏转和翻转程度高，有更优异的电响应性能，提升了仿鱿鱼肌纤维人工肌肉的抗疲劳性能，解决了以往的机械疲劳问题和输出力震颤行为。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。