Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка линейки прецизионных пьезоэлектрических микронасосов точного дозирования с низким энергопотреблением для перекачки медицинских жидкостей малого объема

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
энергоэффективный микронасос, пьезопривод, перистальтический микронасос, математическая модель пьезонасоса, многослойная структура пьезопривода, бесклапанные микронасосы, микрофлюидика, микрожидкостные устройства

Цель проекта:
1. Основная задача проекта состоит в разработке новых энергоэффективных устройств для точного дозирования жидких препаратов различной вязкости, функционирующих в условиях различной гравитации и в невесомости. 2. Целями реализуемого проекта являются: - повышение степени автономности и прецизионности микронасосов; - установление зависимости между физическими и геометрическими характеристиками элементов конструкции и их влияния на эксплуатационные параметры микронасосов; - получение новых знаний в области прецизионной перекачки жидкостей малого объёма.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основными планируемыми результатами проекта являются:
- система математического моделирования прецизионных перистальтических микронасосов на основе пьезоэлектрических многослойных структур с переменной жесткостью;
- теоретические методики моделирования пьезонасосов, работающих в квазистатическом и динамическом режимах;
- установление взаимосвязей: между физическими и геометрическими параметрами элементов пьезонасоса; между производительностью и габаритами; между свойствами материалов и потреблением электрической энергии;
- методика расчета оптимальных геометрических параметров перистальтических микронасосов с пьезоэлектрическим приводом по критерию минимизации энергозатрат;
- методика формирования управляющего сигнала с помощью генератора сигналов, обеспечивающего возникновение и поддержание непрерывной бегущей волны деформаций упругого канала, переносящего жидкость от входа к выходу пьезонасосов;
- программное обеспечение моделирования пьезонасосов на основе оригинальных методик, включая методику формирования бегущей волны деформаций;
- экспериментальные макеты перистальтических пьезонасосов.
2. Система математического моделирования строится на теории упругости и теории колебаний с учетом пьезоэффекта.
Конструкции перистальтических пьезонасосов непрерывного дозирования для медицинских целей должны обладать производительностью до 5 мл/мин и обратным давлением до 2 кПа, с погрешностью дозирования до 2%, напряжением питания не больше 100 В.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В результате работы планируется создание теоретических и практических методик расчета конструкции перистальтического микронасоса и разработка на их основе макетов перистальтических микронасосов, обладающих производительностью до 5 мл/мин и обратным давлением до 2 кПа, точностью дозирования до 2%, напряжением питания не больше 100 В.
2. Разработана экспериментальная установка формирования управляющего напряжения для создания бегущей волны. Использована оригинальная технология температурной аналогии при расчете пьезоэлектрических структур.
Разработана методика оптимизации толщин по критерию максимальной кривизны изгиба упругих камер перистальтических насосов.
Новизна предлагаемой конструкции состоит в использовании большего, чем у известных аналогов, количества приводных пьезоэлементов и определенного режима их возбуждения, обеспечивающих истинно перистальтический режим работы микронасоса, обеспечивающий высокую точность и непрерывность прокачки жидкости. Герметичность конструкции микронасоса обеспечивается использованием оболочки из силиконовой резины.
3. В разрабатываемых конструкциях применяется истинно перистальтический принцип перемещения жидкости (подобно перистальтике в живых организмах) в отличие от квазиперистальтического способа (дискретное импульсное перемещение) в зарубежных аналогах.
4. Пути достижения результатов состоят в проведении аналитического и численного моделирования, экспериментальных исследований с привлечением отечественных и зарубежных партнеров. При реализации проекта существуют некоторые научно-технические и финансовые риски, уровень которых можно оценить как низкий в связи со значительным научным заделом, достаточной материально-технической базой, достигнутыми положительными результатами и высокой востребованностью микронасосов для медицинских применений.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Полученные результаты могут быть применены в медицинской, биологической и химической областях, в микроэлектронике, нанотехнологиях и в космических исследованиях.
2. Разработанные микронасосы планируется использовать в медицине как замену капельниц и шприцев при длительных инъекциях и инфузиях лекарственных средств, требующих высокой точности дозирования, например, инсулина.
Разработанные методики расчета микронасосов могут применяться для моделирования широкого круга пьезоэлектрических устройств различного назначения.
3. Применение разрабатываемых перистальтических микронасосов в области медицины позволит повысить качество проводимой инфузионной терапии, повысить мобильность пациентов, страдающих заболеваниями, требующих регулярных высокоточных инъекций лекарств; в области микроэлектроники и микросистемной техники позволит расширить круг исследований в направлении био-МЭМС и разработки миниатюрных топливных метанольных элементов.
4. Разрабатываемые микронасосы являются высокотехнологическим микроэлектронным устройством, поэтому для их разработки и производства необходимо международное сотрудничество. Так, моделирование микронасосов, разработку методик, конструкций и технологических процессов планируется проводить в научно-исследовательских организациях России, имеющих сложившуюся научную школу, а серийное изготовление и тестирование готовых устройств планируется организовать в регионах мира, со сложившейся высокотехнологичной инфраструктурой и экономически выгодными условиями производства (регионы Юго-Восточной Азии). В настоящее время в рамках контракта осуществляется сотрудничество с предприятиями Китая. Разрабатываемые микронасосы могут использоваться в образовательных учреждениях для демонстрации основных законов гидродинамики.

Текущие результаты проекта:
1. Разработана методика и программа для ЭВМ по моделированию пакетного актюатора с учетом окантовки без электродов.
2. Разработана двумерная аналитическая модель формирования бегущей волны НДС многослойной структуры элементов микронасоса.
3. Разработана трехмерная квазистатическая аналитическая модель напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов микронасоса, подтвержденная реализацией с помощью метода конечных элементов (МКЭ).
4. Разработан и изготовлен многофазный генератор для возбуждения матричных пьезоэлектрических структур и программное обеспечение в системе LabView.
5. Разработана и изготовлена специализированная установка термического соединения разнородных материалов, в том числе, пайки пьезокерамических элементов.
6. Разработана и выполнена технологическая оснастка для изготовления макетов миниатюрных линейных пьезонасосов перистальтического типа.
7. Изготовлены физические модели линейных пьезонасосов перистальтического типа.
8. Разработана и собрана установка для многоплановых испытаний макетов и физических моделей пьезонасосов.
9. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования комплектующих элементов физических моделей пьезонасоса.
10. Защищена дипломная работа по тематике данного проекта.
11. Сделано два студенческих доклада, один доклад на форуме «РазвITие. Российские технологии для инженеров» и один доклад на II международной научной конференции «Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения».
12. Подготовлена статья в журнал «Медицинская техника».