Устройство для моделирования воздействия пониженной и повышенной гравитации на биологические объекты

Полезная модель относится к устройствам для моделирования (создания) условий гравитации, отличающихся от величины, равной 1 g (g - это величина ускорения свободного падения на поверхности Земли, и она численно равна силе тяжести, воздействующей на объект единичной массы: (https://www.yaklass.ru/p/fizika/9-klass/mekhanicheskie-iavleniia-osnovy-dinamiki-18748/uskorenie-svobodnogo-padeniia-izmenenie-vesa-pri-dvizhenii-18753/re-38flcc22-8828-46a9-bcd2-e2d9805926e3), в экспериментах с биологическими объектами и микроорганизмами, а также с материалами, находящимися, например, в виде растворов, суспензий, гелий, порошков. Предлагаемое устройство может быть применимо в космической медицине, например, в качестве средства для моделирования эффектов микро- и гипергравитации в экспериментах при наземных условиях.
Устройства для моделирования воздействия гравитации: микро-, частичной или гипергравитации, в наземных условиях еще носят название «клиностат» или «машина случайного позиционирования» (https://www.hmong.press/wiki/Random_positioning_machine). Машина случайного позиционирования или клиностат вращает биологические образцы по двум независимым осям, чтобы сложным образом изменить их ориентацию в пространстве и, таким образом, устранить влияние гравитации. Такая машина обычно состоят из двух независимо вращающихся рам. Одна рама расположена внутри другой, что дает очень сложное чистое изменение ориентации биологического образца, установленного посередине.
Из уровня техники известен целый ряд устройств указанного типа. Например, известно устройство-клиностат в виде вращающейся сферы, предложенная в 2001 году исследовательской группой Dutch Space [https://www.researchgate.net/publication/226409807_Technology_and_Developments_for_the_Random_Positioning_Machine_RPM]. Эта известная конструкция предполагала размещение биологического образца внутри металлической сферы, состоящей из двух половин. Данная конструкция отличалась жесткими требованиями к качеству внешней поверхности сферы, а именно требуется идеально полированная поверхность, так как отклонения по ее шероховатости приводят к некорректируемым линейным ускорениям и вибрации, что снижает точность исследований. Кроме того, шаровая конструкция известного устройства осложняла подключение приводов и измерительного оборудования. Указанные недостатки приводят к тому, что известное устройство практически мало реализуемо, так как требует больших затрат на изготовление. При этом из-за чувствительности к шероховатости и быстрого износа сферы, возникают предпосылки к выходу известного устройства из строя без возможности проведения продолжительных экспериментов. Кроме того, известное устройство не является универсальным, т.к. не позволяет моделировать воздействие выше 1 g (g - это величина ускорения свободного падения на поверхности Земли, и она численно равна силе тяжести, воздействующей на объект единичной массы).
Из уровня техники известен ряд технических решений по указанной тематике, разработанных в Юго-Восточной Азии:
патент Китая CN 208325674 «Гироскоп для моделирования разнонаправленной микрогравитации» (многоосевой гироскоп с экспериментальным блоком в качестве ротора. Также включает управляемое устройство привода вращения для приведения во вращение каждой оси вращения или вращающегося мономера гироскопа, и используется экспериментальный блок для хранения экспериментальных продуктов. Полезная модель может реализовать моделирование микрогравитационной среды на земле и дополнительно реализовать автоматическое управление имитацией микрогравитации земли);
патент Кореи KR 101737048 «Способ гравитационного моделирования трехмерным клиностатом», в котором используется устройство, содержащее два вращающих элемента, каждый из которых выполнен в виде рамы; первый блок вращения, который вращает самую внешнюю раму; второй блок вращения, который вращает внутреннюю раму, соединенную, чтобы иметь возможность вращаться внутри самой внешней рамки; и питательную среду, которая вращается совместно с внутренней рамкой и вмещает биологический объект; блок управления для управления вращательным приводом первого вращающегося блока и второго вращающегося блока. При этом скорость вращения второго вращающегося блока может быть равна скорости вращения первого вращающегося блока или отличаться на 7-90%. Известное устройство обеспечивает как микрогравитацию, так и частичную гравитацию в диапазоне от 0 до 1 g;
патент Японии JP 2008273276 «Клиностат». Устройство содержит первый вал; первое вращающееся тело, которое прикреплено к первому валу; второе вращающееся тело, которое прикреплено к первому валу; второе вращающееся тело, которое прикреплено к первому валу; второе вращающееся тело, которое является и вращает первое вращающееся тело вокруг первой оси; и управляющее устройство, которое управляет приводным устройством для вращения первого вращающегося тела вокруг первой оси, первую ось, проходящую в направлении, отличном от осевого направления первого вала, и вторую ось, проходящую в направлении, отличном от осевого направления первого вала, и блок управления.
Также из уровня техники известно устройство для моделирования воздействия микрогравитации на биологические объекты, разработанное компанией ААТС (Analog Astronaut Training Center, Krakow, Poland), и подробно описанное в статье [Calvaruso, М.; Militello, С; Minafra, L.; La Regina, V.; Torrisi, F.; Pucci, G.; Cammarata, F.P.; Bravata, V.; Forte, G.I.; Russo, G. Biological and Mechanical Characterization of the Random Positioning Machine (RPM) for Microgravity Simulations. Life 2021, 11, 1190. https://doi.org/10.3390/life11111190]. Данное устройство имеет два держателя, оси вращения которых расположены взаимно перпендикулярно. Данное устройство обладает компактными размерами и может работать длительное время без утраты характеристик вращения, однако, при этом в нем может проводиться эксперимент только на биологических объектах, размещенных в жидкой среде; эксперимент на объектах на твердых питательных средах невозможен.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для создания контролируемой гравитации, охарактеризованное в патенте ЕР 3009499. Известное устройство содержит два вращающихся элемента: платформу и раму, оси вращения которых расположены перпендикулярно друг к другу; два независимых привода вращения с токосъемными кольцами, один из которых связан с первым вращающимся элементом, а второй - со вторым вращающимся элементом. Второй вращающийся элемент - платформа, снабжен узлом крепления к нему емкости с биологическим объектом. Также известное устройство содержит акселерометр, который расположен на втором вращающемся элементе и обнаруживает ускорение, и содержит блок управления, выполненный с возможностью управления режимами скоростей вращения указанных вращающихся элементов посредством приводов, и управляет движением на основе данных ускорения, обнаруженных акселерометром. При этом скорость вращения одного вращающегося элемента находится во взаимосвязи с другим вращающимся элементом, что обеспечивает у них одинаковую скорость вращения.
Несмотря на то, что, данное известное устройство может использоваться в экспериментах с биологическим иобъектами разного типа (в жидкой и твердой питательной среде; живые объекты без дополнительной среды: насекомые, мелкие грызуны), оно обладает рядом существенных недостатков, а именно
данное устройство превышает габаритными размерами 0,5 м в высоту, что ограничивает возможность его интеграции, например, с климатическими камерами и инкубаторами, т.к. в основном на практике используют указанные камеры и инкубаторы с габаритными размерами внутреннего пространства от 340×400×440 до 400×450×500, а более крупные предназначены для работы с более крупными биологическими объектами, такими как растения от 30 см в высоту и т.д.;
используемый тип приводов вращения с токосъемными кольцами приводит к нагреву воздуха вблизи камеры с образцом, что может отрицательно влиять на состояние биологического объекта.
используемые в известном устройстве приводы, такие как сервопривод, шаговый двигатель и/или тому подобное, помимо этого обладают низкой надежностью, так как не позволяют без использования дополнительного оборудования контролировать скорость вращения элементов и ее стабильность, а значит, не обеспечивают работу известного устройства свыше 4 недель с параметрами необходимыми для создания требуемых величин g, действующих на объект.
в описании устройства не приведены возможности достижения промежуточных значений ускорений в диапазоне от 0 до 1,5 g.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в создании компактного устройства, интегрируемого с различным исследовательским оборудованием, таким как инкубатор или климатическая камера, при одновременном обеспечении возможности проведения длительных (более пяти недель) экспериментов по моделированию физических, физиологических и иных изменений, возникающих в исследуемых объектах при воздействии как пониженной, так и повышенной гравитации в диапазоне от 0 до 1,5 g.
Поставленный технический результат достигается предлагаемым устройством для моделирования воздействия пониженной и повышенной гравитации на биологические объекты, включающим два вращающихся элемента, оси вращения которых расположены перпендикулярно друг к другу и выполнены с возможностью соединения с двумя приводами вращения, один из которых связан с первым вращающимся элементом, а второй - со вторым вращающимся элементом, и блок управления, выполненный с возможностью управления режимами скоростей вращения указанных вращающихся элементов посредством приводов, при этом новым является то, что оба вращающихся элемента выполнены в виде платформ, одна из которых является опорной, а вторая - малой, причем ось вращения малой платформы расположена перпендикулярно линии горизонта, а ось вращения опорной платформы расположена параллельно линии горизонта, при этом малая платформа снабжена узлом крепления к ней емкости с биологическим объектом, в качестве приводов устройство содержит приводы с осью коаксиального типа, причем блок управления выполнен с возможностью обеспечения работы приводов с отличающимися друг от друга скоростями вращения, обеспечивающими на 42,9% более высокую скорость вращения малой платформы по сравнению со скоростью вращения опорной платформы.
В преимущественном варианте исполнения:
в качестве емкости с биологическим объектом оно содержит чашку Петри или пробирки.
в качестве приводов с осями коаксиального типа оно содержит шаговые бесщеточные электромоторы.
оно дополнительно интегрировано с климатической камерой или инкубатором.
для обеспечения воздействия на биологические объекты гравитации в диапазоне от 0 до l,5g, скорость вращения посредством привода малой платформы составляет диапазон 5,0-12,5 об/мин, а опорной платформы 3,5-8,75 об/мин.
Указанный технический результат обеспечивается за счет следующего.
Клиностат, как устройство для создания воздействия направленного или разориентированного вектора тяжести, известно с 1904 года, при этом первая конструкция была опробована Вильгельмом Пфеффером. Созданное им устройство было предназначено для изучения явления гравитропизма растений. Современные клиностаты, называемые также машинами случайного позиционирования (Random Position Machines), имеют более сложное устройство и предназначены для решения более широкого спектра задач, связанных с созданием искусственной невесомости.
Предлагаемая полезная модель позволяет эффективно моделировать эффекты как пониженной, так и повышенной гравитации в диапазоне от 0 до 1,5 g и в период времени, достаточный для проявления данных эффектов на микроразмерные биологические объекты, такие как клетки, их сообщества и микроорганизмы, и материалы, с возможной интеграцией с инкубационным и климатическим оборудованием.
Эффекты воздействия гравитации в общем виде заключаются в перераспределение органелл и биохимических компонентов внутри клеток, а также в изменении генетического состава клеточных и организменных сообществ, а при изучении материалов в условиях микрогравитации - в устанавливающемся градиенте концентраций и плотностей в нем.
Обеспечение создания компактного устройства, интегрируемого с различным исследовательским оборудованием, таким как инкубатор или климатическая камера, обеспечивается за счет следующего.
Благодаря тому, что оба вращающихся элемента выполнены в форме платформ, одна из которых является опорной, а вторая - малой, и при одновременном условии, что ось вращения малой платформы расположена перпендикулярно линии горизонта, а ось вращения опорной платформы расположена параллельно линии горизонта, обеспечивается создание компактного устройства, интегрируемого с различным исследовательским оборудованием, таким как инкубатор или климатическая камера. Это обусловлено тем, что замещение рамочного вращающегося элемента (в прототипе, а также в большинстве известных устройств) на платформу, позволит уменьшить габариты устройства за счет выполнения опорной платформы именно нужного размера, который обеспечит размещение устройства внутри необходимого для эксперимента исследовательского оборудования. В то время как в прототипе опорный элемент выполняется в виде квадратной рамки, именно внутри которой должна разместиться малая платформа, и при этом размеры рамки не совпадают с габаритными размерами ряда лабораторного оборудования (например, инкубатор и климатическая камера, да и ряд другой аппаратуры, имеют прямоугольное поперечное сечение). А в предлагаемом устройстве эта малая платформа расположена поверх опорной платформы, а потому совокупные размеры этих платформ с очевидностью будут меньше, чем с рамочными вращающимися элементами в прототипе.
А расположение оси вращения малой платформы перпендикулярно линии горизонта, а оси вращения опорной платформы параллельно линии горизонта, также работает на эту цель, т.к. позволяет обеспечить требуемые компактные габаритные размеры устройства, что по ширине, что по глубине.
Снабжение малой платформы узлом крепления (например, в виде шнура, резины, крепежных приспособлений) к ней емкости с биологическим объектом, например, чашки Петри или пробирок, является обязательным признаком предлагаемого устройства, без которого поставленный технический результат не будет достигнут, а также не будет обеспечена работоспособность полезной модели.
Одновременно с указанным техническим результатом, предлагаемое устройство должно обеспечивать возможность проведения длительных (более пяти недель) экспериментов при воздействии как пониженной, так и повышенной гравитации в диапазоне от 0 до 1,5 g. На эту цель работает выполнение вращающихся элементов в виде платформ, оси вращения которых расположены перпендикулярно друг к другу, и выполнены с возможностью соединения автономно каждой из них с приводом вращения с осью коаксиального типа (пояснение: коаксиальное расположение элементов - термин, указывающий на детали с совпадающими осями вращения, https://ontime. watch/news/chto-takoe-koaksialnoe-raspolozhenie-elementov/).
Использование приводов с коаксиальной осью, в отличие от прототипа, где используются приводы с токосъемными кольцами, значительно повышает долговечность и надежность работы устройства, что обеспечивает возможность длительного (многосуточного) моделирования эффектов микрогравитации. Кроме того, такие приводы не влияют негативно на биологические объекты, т.к. в отличие от прототипа с приводами с токосъемными кольцами, исключается повышение температуры вблизи объектов.
Причем использование двух электроприводов коаксиального типа позволяет осуществлять независимую регулировку скоростей вращения платформ, обеспечивая более высокую скорость вращения малой платформы по сравнению со скоростью вращения опорной платформы.
Благодаря тому, что электронный блок управления выполнен с возможностью обеспечения работы приводов с отличающимися друг от друга скоростями вращения, обеспечивающими на 42,9% более высокую скорость вращения малой платформы по сравнению со скоростью вращения опорной платформы, обеспечивается создание (моделирование) как пониженной, так и повышенной гравитации от 0 до 1,5 g, воздействующей на изучаемые биологические объекты.
В качестве одного из вариантов (настоящая полезная модель не ограничивается только этими вариантами осуществления) опорная вращающаяся платформа может приводиться в движение от шагового двигателя с коаксиальной осью с помощью ременной передачи.
Для вращения малой платформы может использоваться, например, привод с коаксиальной осью с прижимным роликом к диску, закрепленному на малой вращающейся платформе.
Примененные в предлагаемой конструкции приводы коаксиального типа, например, шаговые бесщеточные электромоторы, имеют высокую точность поддержания заданных оборотов и долгий срок службы. Кроме того, данные моторы питаются напряжением 12 вольт, что в совокупности с гальванической развязкой от сети питания, имеет высокую степень безопасности при работе с предлагаемым устройством. Таким образом, благодаря вышеуказанному и в совокупности с другими признаками будет обеспечена возможность длительного (многосуточного, более пяти недель) моделирования эффектов гравитации в диапазоне от 0 до 1,5g.
Использование приводов коаксиального типа, позволяет удешевить и упростить конструкцию, поскольку для того, чтобы задать скорость вращения и при этом обеспечивать ее стабильную величину достаточно задать ее программно с помощью электронного блока управления, т.е. без использования акселерометра, как это указано в прототипе.
В предлагаемой конструкции устройства использован привод с коаксиальной осью для передачи вращательного момента к малой платформе, такое решение имеет высокую надежность, но при этом характеризуется простотой и низкой стоимостью изготовления.
Однако, указанный технический результат не может быть достигнут без использования электронного блока управления (в преимущественном варианте, но не ограничиваясь только им, в конструкцию предлагаемого устройства может входить блок управления, в который помещен понижающий сетевой источник питания и микроконтроллер, управляющий скоростью вращения электродвигателей, с помощью силовых ключей, выполненных на транзисторах), который выполнен с возможностью обеспечения работы приводов с отличающимися друг от друга скоростями вращения, обеспечивающими более высокую скорость вращения малой платформы по сравнению со скоростью вращения опорной платформы (в преимущественном варианте, но, не ограничиваясь только им, с обеспечением на 42,9% более высокой скорости вращения малой платформы (5,0-12,5 об/мин) по сравнению со скоростью вращения опорной платформы (3,5-8,75 об/мин) для создания режимов гравитации от 0 до l,5g). Разница в скоростях вращения указанных платформ необходима в связи с необходимостью избегать возникновения угловых паразитных ускорений, возникающих при положениях платформ, соответствующих высшим/низшим точкам позиционирования исследуемых объектов.
Следует подчеркнуть, что указанная совокупность признаков в формуле находится в функциональном и конструктивном единстве для предлагаемого технического решения, взаимное расположение платформ и отсутствие рам в совокупности с указанной разницей на 42,9% скоростей вращения элементов, обеспечивает достижение заданного уровня воздействия гравитации ускорения g в объеме биологического образца, эквивалентном внутреннему объему чашки Петри или пробирки, и исключение хотя бы одного из них нарушит это единство, не будет гарантирован ни уровень величины g, ни его единство в объеме воздействия на образец, т.к. представляет собой один объект в виде единой конструкции, конструктивные элементы которой соединены, сочленены между собой и в соединении обеспечивают реализацию предлагаемым устройством общего конструктивно-функционального назначения при эксплуатации, т.е. моделирование воздействия гравитации на биологические объекты.
Таким образом, предлагаемая полезная модель характеризуется совокупностью взаимообусловленных признаков, которые все участвуют в обеспечении достижения технического результата, т.к. этот результат проявляется только при использовании этого технического решения в целом.
Полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображено предлагаемое устройство в аксонометрии;
на фиг. 2 - предлагаемое устройство в продольном разрезе;
на фиг. 3 - предлагаемое устройство в разрезе, вид сверху.
Предлагаемое устройство состоит из малой вращающейся платформы 1, опорной вращающейся платформы 2, двух приводов 3 и 4 с осями коаксиального типа и блока управления 5. Ось вращения малой платформы 1 расположена перпендикулярно линии горизонта, а ось вращения опорной платформы 2 расположена параллельно линии горизонта. Малая платформа 1 снабжена узлом крепления 6 к ней емкости 7 (например, чашки Петри или пробирок) с биологическим объектом. Например, для чашки Петри узел крепления 6 может быть выполнен в виде шнура, резины, крепежных приспособлений, а для пробирок - в виде кольцевых держателей. Опорная вращающаяся платформа 2 может приводиться в движение от шагового двигателя 3 коаксиального типа с помощью ременной передачи. Для вращения малой платформы 1 может использоваться, например, привод 4 в виде коаксиальной оси с прижимным роликом к диску, закрепленному на малой вращающейся платформе. В качестве электронного блока управления 5, например, может быть использован блок, содержащий понижающий сетевой источник питания и микроконтроллер, управляющий скоростью вращения приводов 3 и 4, с помощью силовых ключей, выполненных на транзисторах (указанные блоки управления широко известны специалистам и описаны, например: https://www.joyta.ru/9476-upravleniya-dvigatelem-postoyannogo-toka/; http://www.av-assembler.ru/mc/connecting-transistor-to-microcontroller.php; https://it.wikireading.ru/hcj2UknV7w и другие). Блок управления 5 выполнен с возможностью обеспечения работы приводов 3 и 4 с отличающимися друг от друга скоростями вращения, обеспечивающими на 42,9% более высокую скорость вращения малой платформы по сравнению со скоростью вращения опорной платформы.
Следует отметить, что все указанные конструктивные узлы предлагаемого устройства являются традиционными, широко известными специалисту в данной области техники.
Устройство эксплуатируется следующим образом.
На малую платформу 1 заранее собранного предлагаемого устройства в узел крепления 6 размещают емкость 7 с биологическим объектом, например, чашку Петри с бактериальной или клеточной культурой, если исследуемые биологические объекты размещены в жидкой среде, или емкость 7 - пробирки, устанавливаемые в отдельный кольцевой держатель, причем в этот держатель также могут быть размещены пробирки с исследуемыми материалами, например, в виде растворов, гелей, суспензий или порошков. Посредством блока управления 5 посылают соответствующие сигналы на электроприводы 3 и 4, автономно запуская вращение каждого из них, передаваемое на малую 1 и опорную платформы 2 и с обеспечением более высокой скорости вращения малой платформы по сравнению со скоростью вращения опорной платформы, соответствующей необходимому уровню воздействия гравитации. При необходимости устройство предварительно помещают в климатическую камеру или инкубатор.
В лабораторных условиях было исследовано устройство заявляемой конструкции при различных скоростях вращения малой и опорной платформ (в качестве биологического объекта использовали проростки растений: Lepidium sativum и Escherichia coli, которые помещали в чашку Петри). По публикациям [Elison В. Blancaflor, Patrick Н. Masson, Plant Gravitropism. Unraveling the Ups and Downs of a Complex Process, Plant Physiology, Volume 133, Issue 4, December 2003, Pages 1677-1690, https://doi.org/10.1104/pp.103.032169] было известно, как данный вид объектов (указанных проростков растений) реагирует на изменение гравитационного воздействия. Исходя из этой информации, подтверждение микро- или макрогравитационного воздействия на объект было установлено косвенно, для этого выбирали тестовый объект, по публикациям было известно, как он реагирует на изменение гравитационного воздействия. Проводили тестовый запуск и определяли, какой режим соответствует определенной гравитации по состоянию этого тестового объекта.
Было доказано, что предлагаемым устройством возможно обеспечить создание гравитации в диапазоне от 0 до 1,5g. Полученные данные приведены в таблице 1.
В тестовом режиме предлагаемое устройство в этих условиях работало в течение 2-х месяцев (9 недель), нарушений в работе не наблюдалось. Таким образом, полученные данные показывают, что заявляемое устройство может быть использовано для реализации программы эксперимента длительностью более пяти недель, обеспечивая при этом возможность создания гравитационного эффекта в широком диапазоне от 0 до 1,5g. Указанный диапазон обеспечивает достаточный временной период для проявления эффекта микро- и макрогравитационного воздействия на биологические объекты.
Таким образом, предлагаемое устройство может быть использовано в биологии, медицине, химии и материаловедение для выявления основных закономерностей развития гравитационно-зависимых физических, физиологических и иных эффектов, в период времени, обеспечивающий их закрепление на системном уровне изучаемого объекта.