凹槽形仿生针头优化设计与减阻机理分析_齐迎春
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Abstract： Taken the microstructure of mosquitoes and cicada mouthparts as the prototypes, one groove shape bionic needle is design. The conclusion that the groove shape bionic needle has obvious resistance reduction effect is proved through contact dynamic analysis using the method of orthogonal design of experiment. The highest resistance reduction rate can amount to 40.94%; the influence law between the non smooth geometry parameters and the friction on the needle external wall getting in the injecting process is found out. The greatest impact factor of the friction is the groove depth, the minimum width. The relationship between the groove depth, width, and friction is a parabola. The relationship between groove number and friction is linear. The groove number increases, friction decreases. The influence order of factors and optimal levels are determined. The existence of the needle groove structure can reduce the contact area of the needle outer wall and soft tissue and this gap can produce a film of air, reducing the friction coefficient. On the other hand, the liquid can make the skin easy to escape, increasing lubricating effect. According to GB, the puncture tests of nine groove shape bionic needles are taken and the test result has been consistent with the numerical analysis result. Key words：Engineering bionics Drag reduction Painless injector Orthogonal test Contact analysis Display dynamics Needle
0
前言*
无痛注射主要从减小或消除对皮下痛感神经 的刺激和减小皮肤与注射器间的摩擦阻力两个方面
国家自然科学基金(50875108)和中国博士后科学基金(801114202418)
资助项目。20111020 收到初稿，20120523 收到修改稿
来实现[1]，如通过减小注射针头尺寸以减小注射时 对皮肤内痛感神经的刺激来达到无痛效果的微 针[2]、利用机械装置、超声波或电离等方法使药物 直接进入人的皮肤的无针注射 [3-4]和利用减阻机理 达到无痛效果的仿生针头注射[5]。目前，国内外科 研工作者已经开展了采用仿生技术设计无痛针头的 研究。在微针方面，孔祥清等[6]针对蚊子口针顶端
1
凹槽形仿生针头设计
蚊子和蝉是较常见的两种以口针刺入吸食对 象来获取食物的昆虫，在它们的口针中起主要刺入 作用的部分有比较明显的非光滑结构——锯齿和沟 槽，蚊子口针的沟槽结构与锯齿结构分布于口针的 前后两侧[8]，而蝉口针上的主要形态是沟槽，在沟 槽的侧壁顶端分布大小均匀的锯齿，这与它们的吸 食对象不同有关[8]， 蚊子的刺吸对象为动物和人类， 而蝉的刺吸对象为植物，植物外皮抗刺入力能力要 小于动物表皮[9-10]，但刺入深度却是蚊子刺入深度 的 10 倍以上， 因此， 蝉口针的非光滑形态重点出现 于口针的中端，这种结构更利用蝉口针刺入足够的 深度，克服更大的阻力在植物杆部穿行。本文依据 形态单元仿生原理，结合注射针头工艺特点，以蚊 子和蝉口针上的沟槽结构为原型，设计了凹槽形仿 生针头，如图 1 所示，其中 b 代表凹槽宽度，h 代 表凹槽深度。
(1. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室 长春 130022； 2. 长春工程学院理学院 长春 130012)
摘要：以蚊子和蝉的口针为原形设计了凹槽形仿生针头，运用试验优化技术，通过显示动力学接触分析，证明凹槽形仿生针 头具有明显减阻效果， 最高减阻率可达 40.94%； 分析凹槽针头表面非光滑几何形态参数对注射时针头外壁所受摩擦力的影响 规律，凹槽深度对摩擦力影响最大，宽度对摩擦力影响最小，凹槽深度和宽度与摩擦力呈抛物线关系，凹槽条数与摩擦力呈 线性关系，随着凹槽条数增加，摩擦力减小；探讨仿生针头减阻机理，针头凹槽结构的存在可减小针头外壁与软组织的接触 面积，使软组织与针头表面间存在间隙，产生空气膜，降低摩擦因数，另一方面，可使皮肤中的液体易于逸出，增加了润滑 效果。依据国标，对数值分析所用的 9 种凹槽形仿生针头进行了穿刺试验，试验结果与数值分析结果一致。 关键词：工程仿生学 中图分类号：TB17 无痛注射 正交设计 接触分析 显示动力学 针头 减阻
第 48 卷第 15 期 2012 年 8 月
机
械
工
程
学 报
Vol.48 Aug.
No.15 2012
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2012.15.126
凹槽形仿生针头优化设计与减阻机理分析*
齐迎春 1 丛 茜 1 王骥月 1 齐 欣 1, 2
128 表
序号 1(宽度/ mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
y j1
机 凹槽结构分析正交表
因素 2(凹槽 条数) 1(6) 2(10) 3(14) 1(6) 2(10) 3(14) 1(6) 2(10) 3(14) 2.057 1.817 1.73 0.327 B3 C2 3 (空列) 1 2 3 2 3 1 3 1 2 1.893 1.863 1.847 0.046 计算 4(深度/ 摩擦力 Fi/N mm) 1 (0.02) 2 (0.04) 3 (0.06) 3 (0.06) 1 (0.02) 2 (0.04) 2 (0.04) 3 (0.06) 1 (0.02) 1.997 1.567 2.04 0.473 2.25 1.55 1.92 2.14 1.84 1.37 1.78 2.06 1.90
械
工
程
学
报
第 48 卷第 15 期期
试验 摩擦力 F j / N 2.459 1.639 2.274 2.387 2.237 1.495 2.161 2.195 2.026
1 (0.03) 1 (0.03) 1 (0.03) 2 (0.06) 2 (0.06) 2 (0.06) 3 (0.09) 3 (0.09) 3 (0.09) 1.907 1.783 1.913 0.13 A2
月 2012 年 8 月
齐迎春等：凹槽形仿生针头优化设计与减阻机理分析ห้องสมุดไป่ตู้
127
形态设计了仿生微型针头，并对蚊子口针和微型针 头的皮肤刺入过程进行了数值模拟； RAMASUBRAMANIAN 等[7]对仿生微针的研究现状和研究成果 进行了概述，并对蚊子吸血过程、口针形态和微针 刺入力学模型进行了详细探讨。 常规仿生无痛针头， 是在普通针头基础上进行的表面仿生设计，加工工 艺只需要对传统注射器针头的加工工艺做一小部分 改造， 不影响原针头功能、 注射药物量与治疗效果， 不需要额外辅助设备和对医护人员重新培训，其使 用效果与普通注射针头基本一致，临床验证十分简 单。王京春[5]对波纹形、锯齿形和凹坑形三种常规 仿生针头和光滑针头的减阻性能进行了穿刺试验， 并对其注射过程进行了接触有限元模拟，从试验和 数值分析角度验证了三种仿生针头的减阻性能，但 由于试验过程中所用穿刺介质为猪肉，其组织结构 不均匀造成的试验误差较大，影响试验精确性，且 试验只针对每种仿生针头的三个特定非光滑结构尺 寸进行了研究，对各仿生形态结构参数对减阻效果 影响程度和相互作用关系没有进行详细探讨。 本文拟以蚊子和蝉的口针作为生物原型，设计 凹槽形常规仿生针头，借鉴已有研究方法和经验， 采用正交试验设计技术，结合针头穿刺过程显示动 力学数值模拟，在理论上探讨凹槽形仿生针头减阻 机理，全面研究凹槽宽度、数量和深度等因素对仿 生针头减阻性能的影响规律， 且进行穿刺验证试验， 从试验角度分析凹槽形仿生针头减阻规律和效果， 验证数值分析结果。
图1
凹槽形仿生针头
2
凹槽形仿生针头减阻机理及影响因 素分析
针头注射时，针尖部分刺入皮肤，会在刺入部 分产生一个小孔，此时针头受到的阻力仅为皮肤对 针尖的阻力。针头部分完全刺入皮肤后，由于皮肤 的弹性模量较大，皮肤会受到针头挤压产生形变， 同时这部分形变对针头侧壁产生压力，压力越大， 针头刺入摩擦阻力越大，对痛感神经刺激越大。 2.1 正交设计 本文采用数值分析与针头穿刺试验相结合的 方法，分析凹槽形仿生针头减阻影响因素及减阻机 理。凹槽形仿生针头的非光滑结构参数包括凹槽条 数、凹槽宽度和深度 3 个因素，在针管厚度和直径 允许范围内，为了较全面地掌握这 3 个因素对针头 穿刺减阻的影响程度，每个因素取大、中、小 3 个 水平，选用 L9(34)正交表，因不清楚凹槽宽度与条 数间是否存在交互作用，下表中第 3 列设为空列， 见下表，共 9 种针头，以每个针头各因素水平为非 光滑结构尺寸参数， 建立凹槽形仿生针头几何模型， 进行针头穿刺显示动力学分析。 2.2 显示动力学模拟 本文建立的针头模型以 12 号无菌注射针为基础， 针头长为 30 mm，外径为 1.2 mm，壁厚为 0.1 mm， 因空心针头刺入力与针头壁厚无关，且主要考察针 头外壁非光滑结构与软组织的相互作用，为减小计 算时间，针头模型简化为实心，针尖简化为 75°单 面倾角。在刺入过程中，针头的硬度比软组织的硬 度高出许多，因此，将针头设定为刚体，密度为 8.93 g/cm3，泊松比为 0.35，弹性模量为 206 GPa。 软组织作为柔性体，为了验证凹槽针减阻效果和数 值分析结果，同时进行了凹槽形仿生针头的硅胶穿 刺试验，因此在模拟过程中所选择的软组织材料依 据硅胶材料性能进行确定，鉴于穿刺过程中伴随着 硅胶组织的破坏，硅胶模型选用双线性弹塑性带应 变失效的材料本构模型[11-14]。针头与硅胶接触定义 为面面侵彻算法，为简化计算，针头和硅胶模型各 取 1/2，硅胶长、宽各为 20 mm，厚为 30 mm。针
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前言*
无痛注射主要从减小或消除对皮下痛感神经 的刺激和减小皮肤与注射器间的摩擦阻力两个方面
国家自然科学基金(50875108)和中国博士后科学基金(801114202418)
资助项目。20111020 收到初稿，20120523 收到修改稿
来实现[1]，如通过减小注射针头尺寸以减小注射时 对皮肤内痛感神经的刺激来达到无痛效果的微 针[2]、利用机械装置、超声波或电离等方法使药物 直接进入人的皮肤的无针注射 [3-4]和利用减阻机理 达到无痛效果的仿生针头注射[5]。目前，国内外科 研工作者已经开展了采用仿生技术设计无痛针头的 研究。在微针方面，孔祥清等[6]针对蚊子口针顶端
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凹槽形仿生针头设计
蚊子和蝉是较常见的两种以口针刺入吸食对 象来获取食物的昆虫，在它们的口针中起主要刺入 作用的部分有比较明显的非光滑结构——锯齿和沟 槽，蚊子口针的沟槽结构与锯齿结构分布于口针的 前后两侧[8]，而蝉口针上的主要形态是沟槽，在沟 槽的侧壁顶端分布大小均匀的锯齿，这与它们的吸 食对象不同有关[8]， 蚊子的刺吸对象为动物和人类， 而蝉的刺吸对象为植物，植物外皮抗刺入力能力要 小于动物表皮[9-10]，但刺入深度却是蚊子刺入深度 的 10 倍以上， 因此， 蝉口针的非光滑形态重点出现 于口针的中端，这种结构更利用蝉口针刺入足够的 深度，克服更大的阻力在植物杆部穿行。本文依据 形态单元仿生原理，结合注射针头工艺特点，以蚊 子和蝉口针上的沟槽结构为原型，设计了凹槽形仿 生针头，如图 1 所示，其中 b 代表凹槽宽度，h 代 表凹槽深度。
(1. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室 长春 130022； 2. 长春工程学院理学院 长春 130012)
摘要：以蚊子和蝉的口针为原形设计了凹槽形仿生针头，运用试验优化技术，通过显示动力学接触分析，证明凹槽形仿生针 头具有明显减阻效果， 最高减阻率可达 40.94%； 分析凹槽针头表面非光滑几何形态参数对注射时针头外壁所受摩擦力的影响 规律，凹槽深度对摩擦力影响最大，宽度对摩擦力影响最小，凹槽深度和宽度与摩擦力呈抛物线关系，凹槽条数与摩擦力呈 线性关系，随着凹槽条数增加，摩擦力减小；探讨仿生针头减阻机理，针头凹槽结构的存在可减小针头外壁与软组织的接触 面积，使软组织与针头表面间存在间隙，产生空气膜，降低摩擦因数，另一方面，可使皮肤中的液体易于逸出，增加了润滑 效果。依据国标，对数值分析所用的 9 种凹槽形仿生针头进行了穿刺试验，试验结果与数值分析结果一致。 关键词：工程仿生学 中图分类号：TB17 无痛注射 正交设计 接触分析 显示动力学 针头 减阻
第 48 卷第 15 期 2012 年 8 月
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Vol.48 Aug.
No.15 2012
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2012.15.126
凹槽形仿生针头优化设计与减阻机理分析*
齐迎春 1 丛 茜 1 王骥月 1 齐 欣 1, 2
128 表
序号 1(宽度/ mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
y j1
机 凹槽结构分析正交表
因素 2(凹槽 条数) 1(6) 2(10) 3(14) 1(6) 2(10) 3(14) 1(6) 2(10) 3(14) 2.057 1.817 1.73 0.327 B3 C2 3 (空列) 1 2 3 2 3 1 3 1 2 1.893 1.863 1.847 0.046 计算 4(深度/ 摩擦力 Fi/N mm) 1 (0.02) 2 (0.04) 3 (0.06) 3 (0.06) 1 (0.02) 2 (0.04) 2 (0.04) 3 (0.06) 1 (0.02) 1.997 1.567 2.04 0.473 2.25 1.55 1.92 2.14 1.84 1.37 1.78 2.06 1.90
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第 48 卷第 15 期期
试验 摩擦力 F j / N 2.459 1.639 2.274 2.387 2.237 1.495 2.161 2.195 2.026
1 (0.03) 1 (0.03) 1 (0.03) 2 (0.06) 2 (0.06) 2 (0.06) 3 (0.09) 3 (0.09) 3 (0.09) 1.907 1.783 1.913 0.13 A2
月 2012 年 8 月
齐迎春等：凹槽形仿生针头优化设计与减阻机理分析ห้องสมุดไป่ตู้
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形态设计了仿生微型针头，并对蚊子口针和微型针 头的皮肤刺入过程进行了数值模拟； RAMASUBRAMANIAN 等[7]对仿生微针的研究现状和研究成果 进行了概述，并对蚊子吸血过程、口针形态和微针 刺入力学模型进行了详细探讨。 常规仿生无痛针头， 是在普通针头基础上进行的表面仿生设计，加工工 艺只需要对传统注射器针头的加工工艺做一小部分 改造， 不影响原针头功能、 注射药物量与治疗效果， 不需要额外辅助设备和对医护人员重新培训，其使 用效果与普通注射针头基本一致，临床验证十分简 单。王京春[5]对波纹形、锯齿形和凹坑形三种常规 仿生针头和光滑针头的减阻性能进行了穿刺试验， 并对其注射过程进行了接触有限元模拟，从试验和 数值分析角度验证了三种仿生针头的减阻性能，但 由于试验过程中所用穿刺介质为猪肉，其组织结构 不均匀造成的试验误差较大，影响试验精确性，且 试验只针对每种仿生针头的三个特定非光滑结构尺 寸进行了研究，对各仿生形态结构参数对减阻效果 影响程度和相互作用关系没有进行详细探讨。 本文拟以蚊子和蝉的口针作为生物原型，设计 凹槽形常规仿生针头，借鉴已有研究方法和经验， 采用正交试验设计技术，结合针头穿刺过程显示动 力学数值模拟，在理论上探讨凹槽形仿生针头减阻 机理，全面研究凹槽宽度、数量和深度等因素对仿 生针头减阻性能的影响规律， 且进行穿刺验证试验， 从试验角度分析凹槽形仿生针头减阻规律和效果， 验证数值分析结果。
图1
凹槽形仿生针头
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凹槽形仿生针头减阻机理及影响因 素分析
针头注射时，针尖部分刺入皮肤，会在刺入部 分产生一个小孔，此时针头受到的阻力仅为皮肤对 针尖的阻力。针头部分完全刺入皮肤后，由于皮肤 的弹性模量较大，皮肤会受到针头挤压产生形变， 同时这部分形变对针头侧壁产生压力，压力越大， 针头刺入摩擦阻力越大，对痛感神经刺激越大。 2.1 正交设计 本文采用数值分析与针头穿刺试验相结合的 方法，分析凹槽形仿生针头减阻影响因素及减阻机 理。凹槽形仿生针头的非光滑结构参数包括凹槽条 数、凹槽宽度和深度 3 个因素，在针管厚度和直径 允许范围内，为了较全面地掌握这 3 个因素对针头 穿刺减阻的影响程度，每个因素取大、中、小 3 个 水平，选用 L9(34)正交表，因不清楚凹槽宽度与条 数间是否存在交互作用，下表中第 3 列设为空列， 见下表，共 9 种针头，以每个针头各因素水平为非 光滑结构尺寸参数， 建立凹槽形仿生针头几何模型， 进行针头穿刺显示动力学分析。 2.2 显示动力学模拟 本文建立的针头模型以 12 号无菌注射针为基础， 针头长为 30 mm，外径为 1.2 mm，壁厚为 0.1 mm， 因空心针头刺入力与针头壁厚无关，且主要考察针 头外壁非光滑结构与软组织的相互作用，为减小计 算时间，针头模型简化为实心，针尖简化为 75°单 面倾角。在刺入过程中，针头的硬度比软组织的硬 度高出许多，因此，将针头设定为刚体，密度为 8.93 g/cm3，泊松比为 0.35，弹性模量为 206 GPa。 软组织作为柔性体，为了验证凹槽针减阻效果和数 值分析结果，同时进行了凹槽形仿生针头的硅胶穿 刺试验，因此在模拟过程中所选择的软组织材料依 据硅胶材料性能进行确定，鉴于穿刺过程中伴随着 硅胶组织的破坏，硅胶模型选用双线性弹塑性带应 变失效的材料本构模型[11-14]。针头与硅胶接触定义 为面面侵彻算法，为简化计算，针头和硅胶模型各 取 1/2，硅胶长、宽各为 20 mm，厚为 30 mm。针
