Алоэ строение: Алоэ Вера — лечебное растение

Биогибридная мягкая E-кожа с тактильным ощущением на основе биоимпеданса с использованием тканей пульпы алоэ вера

Эксперимент по определению биоимпеданса и приложенной силы

Рис. 2

Блок-схема экспериментальной характеристики.Источником силы в этом эксперименте является цилиндр двустороннего действия, управляемый представленной пневматической схемой (1). Цилиндр прикреплен к механической установке (2), на которой размещается силиконовая конструкция (3). Две переменные; сила, полученная датчиком силы (4), и изменение биоимпеданса, полученное в виде изменения выходной частоты схемы SRCO (5), подвергаются двум схемам преобразования сигнала (6) перед тем, как они будут получены схемой сбора данных (7).

Эксперимент был разработан для постепенного приложения силы с медленной и постоянной скоростью к мягкой структуре E-кожи, которая включает в себя чувствительный биологический материал.Это было достигнуто за счет цилиндра двустороннего действия с диаметром хода \ (8 \) мм. Он был помещен в пневматический контур, управляемый с помощью пневматического клапана 5/2 FESTO и двух односторонних регулируемых клапанов потока FESTO. Затем мягкая структура была помещена в пластиковый корпус, напечатанный на 3D-принтере, внутри механизма слайдера (см. Дополнительные рисунки S1 – S2), размещенного над высокоточным датчиком силы Honeywell с разрешением 0,0098 Н. Блок-схема на рисунке 2 показывает полная настройка эксперимента по характеризации.

Пневматический контур питался сжатым воздухом, и ход цилиндра двустороннего действия был растянут до соприкосновения с мягкой силиконовой структурой. Затем он начал прикладывать силу к своей поверхности, увеличивая показания датчика силы, и изменение биоимпеданса регистрировалось через цепь SRCO. Оба значения проходят схемы согласования сигнала перед тем, как будут записаны системой сбора данных.

Алоэ Вера было куплено как горшок на местном рынке.Лист алоэ вера отрезают от корней, а затем отделяют мякоть от кожуры. После разделения пульпа превращалась в гелеобразную, разрезая ее с помощью стандартного смесителя. В случае использования алоэ вера только для мягких тканей, на этом этапе процесс подготовки заканчивается. При использовании смеси алоэ вера и желатина порошковый желатин, купленный на местном рынке, растворяли в теплой воде, а затем смешивали с алоэ вера в соотношении 1: 1 (см. Дополнительный рис. S6 – S7).

Вид экспериментальной установки и результаты эксперимента.В ( A ) ход растягивается, но не достигает поверхности мягкой силиконовой резины. Колебание в ( B ) до момента контакта составляет около 4 кГц. ( C ) показано усилие после нагрузки на мягкую структуру, приводящее к повышению частоты, зарегистрированному как ясно в ( D ).

Соотношение между приложенной силой и биоимпедансом, выраженное в терминах частоты. Показаны результаты для двух тканей, использованных в этом эксперименте — смеси алоэ вера и алоэ вера-желатин.Поведение этих тканей исследуется при различной геометрии каналов и силиконовых материалах различной твердости по Шору. Результаты подгонки добавляются к каждому графику, и уравнение подгонки, которое является экспоненциальной функцией, представляется для каждого результата.

Структуры из силиконового каучука были заполнены мягкой гелеобразной биологической тканью, а затем были заключены в пластиковый держатель (см. Дополнительный рис. S3), который закрывает все его поверхности, кроме верхней. Пластиковый держатель выполняет еще две функции; предотвращение утечки гелеобразной ткани и соединение ткани двумя электродами.Пластиковый держатель поддерживает постоянное положение двух электродов на протяжении всего эксперимента, что имело решающее значение для восстановления эксперимента. Затем пластиковый держатель помещали в механическую установку слайдера, которая позволяет прикладывать вертикальное усилие к верхней поверхности силиконовой конструкции. Механическая установка была разработана с прорезью для датчика силы с очень высоким разрешением для регистрации значений приложенной силы. Сила, приложенная к мягкой структуре, варьировалась от холостого хода (0 Ньютонов) до отказа схемы генератора, что происходит, когда канал был полностью закрыт, и составляла около 10–12 Ньютонов.

Второй параметр, измеренный в этом эксперименте, — это общий импеданс мягкой биологической ткани, находящейся в канале внутри силиконовой структуры. Биоимпеданс обычно измеряется анализаторами импеданса, которые имеют разные характеристики. Было проведено множество исследований для реализации недорогих портативных анализаторов импеданса. Тем не менее, в этой работе изменение импеданса измерялось напрямую через схему генератора. Частота колебаний на выходе SRCO пропорциональна общему сопротивлению исследуемой биологической ткани.Подводя итог, приложение силы к силиконовой структуре приводит к деформации геометрии внутреннего канала, что, как следствие, изменяет импеданс гелеобразной ткани, в конечном итоге изменяя частоту колебаний, изменение выходной частоты SRCO показано на рис. 3.

Результатом этого эксперимента является соотношение между силой, приложенной к силиконовой структуре, и частотой колебаний контура SRCO. Соотношение было получено как для силиконовых структур, изготовленных с твердостью по Шору 4 и 8, так и для трех различных геометрий каналов для каждой структуры.Результаты показали согласованность, и поведение полученных кривых соответствовало кривой экспоненциальной функции. Таким образом, экспериментальные точки данных были подогнаны к двухчленной экспоненциальной функции (3), где x — сила в Ньютонах, а f ( x ) — частота в герцах. Масштабные коэффициенты уравнения равны ( a , c ), а ( b , d ) являются коэффициентами кривой. Сила, измеренная датчиком силы, рассматривалась как входной сигнал функции, которая вычисляет частоту биоимпеданса.{dx}. \ end {align} $$

(3)

Изготовление мягкой конструкции, форм и соединителей

Каналы Геометрия и аддитивные технологии производства. В ( A ), ( B ) и ( C ) показаны расчетные геометрии каналов с учетом того, что сила прилагается снизу вверх. Хотя ( D — H ) показан принцип работы самых известных 3D-принтеров; прямое письмо чернилами, моделирование методом наплавления, стереолитография, селективное лазерное спекание и струйная печать. Наконец, наглядно показаны оптимизированные параметры для высоты слоя ( I ), ширины линии ( J ) и температуры печати ( K ).

Мягкая структура, использованная в эксперименте, была изготовлена ​​из коммерческого силиконового каучука Zhermack (ZA 4 LT ROSSO и ZA 8 LT). Эти два продукта имеют твердость по Шору 4 и 8 соответственно. Подходящее количество основного материала и отвердителя выливали в контейнер, перемешивали пластиковой палочкой в ​​течение 10 минут и оставляли для застывания на 75 минут.Затем смесь выливали внутрь формы, напечатанной на 3D-принтере, и оставляли для застывания. Соотношение основного материала и отвердителя 1: 1. Этот процесс показан на дополнительном рисунке S5. Поперечное сечение внутреннего размера канала следующее: для цилиндрического канала диаметр круглого сечения составляет 8 мм. В то время как для другого канала он составляет 8 мм в длину, 4 мм в ширину, а передние углы полностью скруглены для образования овальной формы. Иллюстрация мягких структур и геометрии канала показана на рис.5A – C.

Технологии аддитивного производства в последнее время облегчили быстрое создание прототипов и производство в лаборатории. 3D-печать — это одна из форм цифрового аддитивного производства, которая позволяет быстро и эффективно изготавливать сложные модели. В этой работе 3D-печать использовалась для печати всех форм и соединителей, используемых в экспериментах.

3D-печать реализуется на основе различных технологий изготовления. Самым простым и наиболее часто используемым методом является моделирование наплавленного осаждения (FDM), показанное на рис.5E. Полимерная нить экструдируется в крошечное горячее сопло, которое наносит расплавленный полимер на платформу для мгновенного затвердевания. Технология FDM популярна благодаря своей низкой стоимости и использованию различных материалов, таких как акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), полимолочная кислота (PLA), нейлон и поликарбонат. Другой похожей на FDM технологией печати является метод прямой записи чернилами (DIW), показанный на рис. 5D. Он следует той же технологии, при которой добавочный материал вытекает из сопла в жидкой форме и мгновенно затвердевает после выборочной экструзии.Разница между ними заключается в том, что DIW основан на жидких чернилах из полимерного предшественника и вытесняется из сопла с помощью плунжера, а не экструдированной нити в случае FDM.

Компромисс дешевой и простой технологии, такой как FDM, заключается в меньшей точности и точности по сравнению с другими сложными методами трехмерной печати, такими как стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS) и прямая струйная печать (см. Рис. 5F– ЧАС). SLA и SLS — это лазерные методы, которые достигают точности \ (0.Высота слоя 01 \) мм по сравнению с \ (0,1 \) мм в случае принтеров FDM. В отличие от FDM, который принимает только материалы в форме нити, SLA и SLS используют лазер для отверждения и отверждения жидкой смолы и порошкового полимера соответственно ¹ . В то время как процесс струйной печати основан на трех основных этапах. Первый — прямое нанесение капель чернил на подложку. Впоследствии эти капли взаимодействуют со своими соседними каплями. Наконец, происходит стеклование, испарение и / или полимеризация краски, приводящая к ее затвердеванию.Однако в нашем приложении разрешения FDM-принтера было достаточно. Таким образом, 3D-принтер Ultimaker использовался для печати всех форм и соединителей с использованием нити PLA после нарезки дизайна в программном обеспечении Cura, как показано на дополнительном рис. S4.

Оптимизация параметров имеет решающее значение для успешного процесса печати. Обычно изменяемыми параметрами являются высота слоя, ширина линии и температура печати, как показано на рис. 5I – K соответственно. Высота слоя — это толщина нанесенного материала по оси Z, а ширина линии — это толщина в 2D-плане.Правильный выбор температуры печати имеет решающее значение, чтобы избежать недостаточного прилегания слоев в случае низкой температуры печати и грязных отпечатков в случае высоких.

Схема генератора с одним сопротивлением (SRCO)

Модифицированная схема SRCO. ( A ) Параллельная ветвь RC заменена биологической тканью. Было предложено множество моделей для моделирования поведения импеданса, вносимого различными биологическими тканями.В ( B ) модели Коула с одной дисперсией, которая эквивалентна биологической ткани, а в ( C ) каждый параметр модели Коула связан с клеточной стенкой и жидким гелем фактической ткани пульпы алоэ вера.

Схема генератора, используемая в этой статье, показанная на рис. 6, отличается от традиционной схемы SRCO. Параллельная ветвь RC заменяется внедренной биологической тканью. Этот подход был рассмотрен ранее, но с точки зрения приложения оптимизации ³⁶ .Каждый из параметров модели Коула соответствует физической структуре или органелле в ткани пульпы. Мякоть алоэ вера в основном состоит из трех основных компонентов; клеточная стенка, жидкий гель и другие микрочастицы ³⁷ . Параметры модели Коула \ (R _ {\ infty 1}, R_ {c1} \) и \ (C_1 \) моделируют сопротивление жидкого геля, сопротивление стенки ячейки и емкость между стенками ячейки, соответственно, как показано на фиг. 2R_ {c1} (900.\ alpha \ sin \ left (\ frac {\ alpha \ pi} {2} \ right) \ nonumber \\ & \ quad + 21C_1 (2.03R _ {\ infty 1} + 2.03R_ {c1} +0.2) \ omega = 0. \ end {align} $$

(6)

Подводя итог, можно сказать, что параметры модели Коула используемой ткани алоэ вера \ (C_1, \ alpha, R_ {c1} \) и \ (R _ {\ infty 1} \) напрямую изменяют частоту колебаний \ (\ omega \). Когда канал, заполненный тканью, подвергается деформации, сопротивление ткани изменяется и, следовательно, параметры модели Коула изменяются, что приводит к изменению частоты генератора.

Параметры схемы генератора: \ (R_4 = 1 \; {\ text {k}} \ Omega, R_3 = 90 \; {\ text {k}} \ Omega, R_1 = 30 \; {\ text {k}} \ Omega, R_ {o2 } = 1 \; {\ text {k}} \ Omega \) и \ (R_ {c2} = 21 \; {\ text {k}} \ Omega \). В то время как \ (R_2 \) и \ (R_5 \) настроены для управления частотой колебаний. Таким образом, \ (R_2 \) и \ (R_5 \) помещаются в схему как потенциометры. Однако процесс настройки частоты может быть реализован автоматически с помощью микроконтроллера и цифровых потенциометров.

Сбор данных

Генератор и выходной сигнал датчика силы подвергаются двум различным условным схемам.Выходной сигнал генератора колеблется от + 10 до -10 В. Затем он проходит через инвертирующий усилитель, рассчитанный на усиление = 0,5, с использованием одного источника питания. Таким образом, он может быть прочитан элементом сбора данных. В то время как выход датчика силы представляет собой дифференциальное напряжение двух клемм моста Уитстона.

Дифференциальный усилитель предназначен для передачи разности напряжений двух выводов на элемент сбора данных, которым является плата разработки Arduino Uno. Плата для разработки выбрана из-за простоты использования и пригодности для текущего приложения.Плата Arduino Uno поставляется с 10-битным АЦП, который по умолчанию отображает свой аналоговый вход на 5 вольт. Чтобы увеличить разрешение, на его аналоговый опорный вывод (AREF) подается 1 вольт, поэтому аналоговый вход отображается на 1 вольт вместо 5 вольт. АЦП использовался для измерения значений силы с точностью до сотой цифры.