微机械装置的液体输送性能实验与分析

　　微机电系统(MicroElectronic-MechanicalSystem或MEMS)的研究是机械科学的前沿领域,它涉及电子工程、机械工程、材料科学、物理学、化学以及生物医学等多学科领域[1]。现在国内外医学界广泛使用微小机器人进行胃肠道的检测和治疗。以色列吉文成像公司研制成功一种新型肠胃内窥微机电系统。日本三菱公司基础部开发了一种形状记忆合金螺旋弹簧式主动内窥检查机器人,它由弯曲部、两个形状记忆合金执行器和纤维镜组成[2]。美国加州理工大学研制了一种主动内窥检查微机器人[3],其尾部带有电缆,本体主要由支撑器和延展器组成,采用蚯蚓蠕动方式运动。卡内基-梅隆大学也开发出了一种主动内窥检查机器人[4],由导向机构、骨架和橡胶管组成,骨架能够在刚性和柔性之间转换,橡胶管有一定硬度并能沿着骨架移动,两者之间有足够的润滑来保证相对滑动。意大利开发出用于结肠检查的携带主动内窥镜的微机器人[5],其运动方式为蠕动式,每个工作循环有7个状态,由微型气体分配器控制。在国内,中国科技大学研制出了用于人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微机器人[6],携带内窥镜的检测微机器人在可控元件的作用下可以实现自主导向。

　　本文作者在对体内胶囊式药物释放和取样微机电系统机构设计和开发的基础上[7-9],通过理论和实验,对不同粘度液体的挤出能力进行了分析,讨论了粘度对挤出性能的影响。然后,利用微机构装置对液体输送中挤出率和挤出时间两项参数随粘度的变化进行实验测试,并进行了实验数据分析。

　　1　实验部分

　　1.1　实验原理及方法

　　实验装置如图1所示。由于本装置以传送液态介质为目的,液体会附着在壳壁上,粘滞阻力会造成效率的损失;另外,当液体药物被推送至输送孔处时,流道直径急剧变小,流体通过突变的局部受到了阻碍,在惯性力支配下,流体不能突然转折,会出现主流与边壁脱离的现象。因此在传送流体药物的过程中,主要的效率损失来源于流体粘性阻力的影响。为了克服这一始终存在的阻碍流体流动的摩擦阻力,流体总的机械能会沿着流程不断地损耗。液体粘度和输送距离都对摩擦阻力功有直接影响。而评价机构的药物挤出效率,可以从液体挤出量、作的有用功、轴向输送力、传动机构的转矩等方面进行比较、评估。同时为了验证流体阻力的影响,可采用不同粘度的液体作为输送药剂,比较在不同液体粘度下微机构的输送性能。

　　实验时电源采用有线稳压电源,实验时间设置如下:延时开关启动后,设置前5 s延时,微电机等待,不转动; 5 s后微电机启动,转动20 s,期间完成液体的输送;第25 s时,微电机停转,液体传送结束。实验中主要记录微电机在整个液体输送过程的电流变化值。