耦合仿生半规管的设计制备及角加速度感知机理研究

During the evolutionary process of the lower animals to higher animals, human evolved out of a pair of semicircular canals, which are balanced sensory organs with complex, fine structure and high sensitivity. Using cupula-endolymphatic inertial system, a pair of semicircular canals can perceive angular acceleration. Then human can orientate in spatial space, keeping clear visual and physical balance. Due to physiological reasons, it is difficult to observe and measure the mechanical response of the semicircular canal directly, which leads a lack of in-depth understanding of its perceptual mechanism..In this project, the coupling bionic semicircular canal system will be designed and fabricated, which using artificial materials instead of the biological tissue inside the semicircular canal, and using artificial hair sensors of metal core PVDF（poly vinylidene fluoride）fiber instead of the sensory cilia cells. The mechanical properties of this system are similar to the biomechanical properties of the human semicircular canal. Based on this system, the sensing mechanism of angular acceleration of the human semicircular canal will be studied, according to the order from local to entire. The sensing mechanism includes the functional mechanism of the cupula-endolymphatic system, the perception mechanism of angular acceleration of a single semicircular canal, the signal decoupling principle of three ampullas and the principle of information integration within a pair of semicircular canals. The biomechanical model and the signal processing mechanism model will be established, which reflect the semicircular canal work process, working principle and part of the disease mechanism. These models should be experimentally validated. This project will enable us to understand the functional mechanism of semicircular canals, and to promote the development of vestibular system functions inspection technology.

从低等动物向高等动物的进化过程中，人类进化出了一对复杂、精细、灵敏的平衡感觉器官-半规管，利用壶腹嵴嵴顶-内淋巴液惯性系统感知角加速度，进行空间定向，保持清晰视觉和身体平衡。由于生理原因，很难直接观察和测量半规管的力学响应，对其感知机理缺乏深入的了解。.本课题用人工材料代替半规管内部的生物组织，用含金属芯PVDF纤维人工毛发传感器代替感觉毛细胞，设计制备和人体半规管具有相似生物力学特性的耦合仿生人工半规管系统。基于此系统，按照从局部到整体的顺序，研究人体半规管的角加速度感知机理，包括：嵴顶-内淋巴液系统的功能机制、单根半规管的角加速度感知机理、三个壶腹嵴的信号解耦原理、一对半规管内部的信息整合原理，建立反映半规管工作过程、工作原理和部分患病机制的生物力学模型和信号处理机制模型，并进行实验验证。本课题将有助于我们深入了解半规管的功能原理，推动前庭系统功能检查技术的发展。

本课题仿照人体生理半规管中壶腹部分的结构，用激光烧结的方法制备人工壶腹树脂外壳；将自制的仿生毛发传感器SMPF固定在内壁上，制备膜状的人工壶腹嵴。实验结果表明，SMPF可以感知人工嵴顶凹凸变形的方向、幅值、波形、频率、相位等参数。将人工壶腹嵴安装在树脂外壳的相应位置，充满去离子水后密封，制备出一维、三维仿生半规管。.一维仿生半规管的实验结果表明，在角加速度作用下，仿生嵴顶将产生凹凸变形，变形频率和激励频率相同，幅值和激励的幅值成线性关系，和角加速度的幅值也成线性关系，即仿生半规管通过嵴顶的变形，能够感知角加速度的频率、幅值等参数。.三维仿生半规管的实验结果表明，在角加速度作用下，3个相互连通的半规管嵴顶都产生变形，主半规管中嵴顶变形幅度是其余2个的3倍。根据这一结果，表明人体可以根据3根半规管中嵴顶的变形幅值之间的关系，判断出头部旋转时，空间角加速度的大小和旋转中心轴的位置。.仿生无膜半规管和仿生有膜半规管的实验结果表明，两类仿生膜半规管能够感知正弦信号角加速度激励下的波形、频率、幅值等参数，且输出信号的幅值和角加速度值成线性关系。仿生无膜半规管的输出信号大于仿生有膜半规管。人体膜半规管在传感模型中可以模拟为弹簧元件，在膜半规管的运动过程中，起到缓和冲击、吸收储存能量的作用。.通过改变仿生半规管中内部液体的密度，表明嵴顶和内淋巴液的密度差会对仿生半规管的直线加速度感知能力产生影响；通过设计不同的仿生半规管结构进行实验，表明破坏半规管的环状结构并不能提升其对直线加速度的感知能力，否定了闭环假说。通过设计制备仿生半规管模型，并对其进行理论分析与实验验证，说明半规管确实具有感知直线加速度的能力，但是其最主要的功能仍然是感知旋转加速度。在相同的频率与振幅激励下，半规管感知的旋转加速度信号要远高于直线加速度，多数情况下的直线加速度信号可能都未超过半规管的感知阈值，因此被神经系统抑制忽略掉。