基于压电材料剪切模式仿尾鳍摆动无阀药泵的研究

The rapid development of modern medicine raises exigent needs for non-invasive drug delivery system, which takes micro pump as core component. However, the existing micro pump suffers the inherent flaws, such as pollution caused by contact wear, severe reverse flow, etc. Inspired by principle of fish swimming droved by swing of caudal fin, the researches about valve-less piezoelectric pump imitating swing of caudal-fin will be carried out. The applicant verified the feasibility of pumping fluid by swing vibrator in previous research, and presented an idea of "rigid-flexible structure is critical factor of unidirectional flow of the pump". Based on vibration characteristics, piezoelectric shear mode will be configured in swing vibrator. This project is aiming at revealing motivation source of unidirectional flow when the vibrator works in different modal shape though fluid-structure couple modelling, high speed camera experiment and DPIV technology. Utilizing 3D printing technology, swing vibrator, which is consistent with similarity law of fish body, will be developed and manufactured; and high efficiency features of the bionic principle will be analyzed. The pseudo-rigid-body dynamic model for the swing vibrator will be built, and the vibration features will be analyzed, and the strong non-linear coupling between the vibrator and fluid will be considered, by all of which the optimum of the pump will be achieved. The working efficient and the stability of the pump will be enhanced by controlling strategy which enables the automatic tracking of optimum working frequency. This novel type of pump can provide the body non-invasive drug delivery with new method and pattern.

现代医学对以微泵为核心的体内无损给药系统提出了迫切的需求, 而现有的微泵存在着接触磨损污染、回流现象严重等原理性缺陷。本课题借鉴以尾部摆动为推进力的鱼类生物游动机理，研究可用于体内无损给药仿鱼摆动无阀压电泵系统。申请人在前期的研究中验证了摆动驱动流体的可行性，提出了"摆动振子的刚柔结构是产生单向流动的关键"。根据摆动振子的振型特点，采用压电材料的剪切作用模式配置摆动振子；通过流场和流固耦合建模、高速摄像机和数字粒子图像测速实验，揭示摆动振子工作在不同振型下形成流体单向流动的动力来源；利用3D打印技术，研制符合鱼体相似性规律的摆动振子，分析该仿生原理的高效特性机理；建立摆动振子的伪刚体动力学模型，解析其在流固耦合作用下的振动规律，分析摆动振子的刚柔结构在流体中振动的强非线性因素，以实现泵的优化设计；通过控制策略和频率跟踪，提高泵的效率和稳定性，为体内无损送药提供可行的工作模式。

近年来，随着医疗、卫生、保健领域的发展，对压电泵、特别是无阀压电泵的传输流体的稳定性、流动脉动及回流等方面提出了更高的要求。容积型压电泵因其固有的周期性、波动性而不能产生连续输出和压力，同时回流、脉动现象或微型阀片阻塞现象无法避免；回转型压电泵因其固有的复杂性和难控性而无法满足体内输送的安全及稳定的需要。本研究受到鱼在游动过程中鱼尾与环境流体的启发而提出仿鱼尾摆动压电泵的研究，从摆动驱动无阀压电泵的工作机理、结构优化、流场分析、相似性规律和驱动控制等几个方面进行了深入探讨。通过观察和分析鱼类在游动过程中的尾部摆动轨迹，提出了摆动振子驱动流体单向流动的动力来源是尾鳍做升沉运动和俯仰运动的合运动，建立了尾鳍在这种运动状态下的数学模型，通过泵送能力实验、泵腔内流体的有限元仿真进行了验证。针对刚柔振子动力学建模这一难题，提出了刚柔摆动振子的伪刚体模型；理论和实验相结合，对PZT在压电振子上的位置进行了优化；研究分析了多振子在并联和串联状态下的工作情况，及振子在泵腔的位置参数对其工作性能的影响；基于ANSYS-FLUENT软件，对泵腔内的流场进行了模拟分析；基于逆向扫描和3D打印技术，对自然界中的真实鱼体进行了模型重构；研制了驱动控制系统。研究结果表明，通过摆动振子的伪刚体模型阶段构建和求解，解释了实验过程的现象，为刚柔结构的结构优化奠定了基础；本研究提出的尾鳍摆动规律的科学假说，和实验结果一致性较好，揭示了摆动振子驱动流体流动的工作机理；通过合理的配置双振子的摆放角度，可集成泵腔内流体的混合搅拌和输送功能。本研究对于开发微脉动、无回流、无接触污染、具有完全自主知识产权的流控器件具有一定的意义。