научная статья по теме БИОНИКА СПИРАЛЬНЫХ СТРУКТУР Машиностроение

Текст научной статьи на тему «БИОНИКА СПИРАЛЬНЫХ СТРУКТУР»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 3, 2015

УДК 62-1,62-4

© 2015 г. Петухов С.В., Свирин В.И., Хазина Л.В.

БИОНИКА СПИРАЛЬНЫХ СТРУКТУР

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва

Статья посвящена бионическим аспектам машиноведения, связанным со спиральными конструкциями и процессами в теле человека и других живых организмов. Описываются возможности бионических устройств спиральной организации, включая гидроволновые стимуляторы спирального действия. Представляется гемо-волновая концепция вибродвижителя немышечного характера для кровотока на основе волновых сил в условиях вибрации белков крови при их циклических конфор-мационных изменениях.

В проблемах надежности систем "человек—машина" человеку-оператору как звену управления издавна уделяется значительное внимание. Характерной чертой современности является то, что едва ли не все органы человеческого организма протезируются (сердце, кости, нижние и верхние конечности, печень, почки, органы слуха и зрения и пр.), а компьютерные чипы встраиваются в человеческое тело. В силу этого усредненный человек все более сам становится системой "человек—машина" (киборгом). Соответственно, для инженеров-конструкторов возрастает необходимость знаний о фундаментальных особенностях биомеханических систем.

Настоящая статья представляет материалы об использовании достижений нелинейной волновой механики [1, 2] в моделировании и осмыслении ряда фундаментальных особенностей живой материи, включая спиральную организацию живых тел и процессов в них. При этом специальное внимание уделяется исследованиям гидроволновых стимуляторов физиотерапевтического назначения на основе спиральных вакуум-прессующих струй.

Еще В. Гёте называл спирали "символом жизни" в силу множественной реализации наследуемых спиральных структур и процессов в живых телах на самых разных линиях и уровнях биологической эволюции. В теле человека генетически наследуемые из поколения в поколение спиральные конструкции представлены в мышцах, сердце, сосудах, костях, нервах, органе слуха (улитка уха), клеточной организации эмбриона (зиготы) и пр. (рис. 1). Структура сухожилий и связок имеет вид спиралей, которые в свою очередь, состоят из коллагена, имеющего строение тройной спирали. Спиральные движения (нутации) наблюдаются при росте корней и побегов, спирально закручиваются усики растений, по спирали происходит рост тканей в стволах деревьев и пр. В связи со спиральными биоконфигурациями все потоки жидкостей в организме — крови, лимфы, мочи — имеют спиральный характер. Название "Линии жизни" — книги о биоспиралях [3] — отражает их важность для живой материи.

Современная кардиология обращает особое внимание на спиральную организацию сердца, в частности в связи с проблемой сердечной недостаточности и применением электрокардиостимуляторов (ЭКС) [4]. Сердце образуется одной мышцей, закрученной в спираль, что позволяет увеличить силу сокращения волокон миокарда для обес-

печения кровотока (по аналогии с выкручиванием мокрого белья прачкой для отжима воды). Принцип спирального закручивания повторяется на всех уровнях макро- и микроструктуры сердца. Кроме обеспечения достаточной силы сокращения данная закрутка преследует цель подчинить все отделы сердца определенной последовательности сокращения. Все это оказалось важным, в частности, для понимания того, почему порой изменение положения ЭКС на 1—2 см создает абсолютно разный эффект на сократительную функцию миокарда, иногда практически противоположный, а время прохождения импульса от ЭКС до миокарда увеличивается в 10—12 раз. Спиральные волны в сердце являются причиной аритмий. Учет винтового характера кровотока ведет к новым технологиям хирургических операций, которые не нарушают такой кровоток, а также конкретизирует требования к протезам сердечных клапанов и сосудов для исключения хаотического турбулентного движения крови, приводящего к тромбообразованию [5].

Спиральный принцип организации прослеживается как на уровне отдельных мышц, так и всей совокупной мышечной системы, в которой мышцы функционально объединены в группы мышечных спиралей, например, для согласованной работы туловища и конечностей за счет мышечных спиралей, переходящих с одной стороны тела на другую и объединяющих правую и левую половины тела. Учет этой биоспираль-ности позволил ввести в практику костюм коррекции движений "Спираль" для больных церебральным параличом [6].

Приведем примеры инженерного использования биоспиралей как патентов живой природы. Спиральные принципы движения используются множеством бактерий, которые перемещаются в окружающей среде при помощи длинных жгутиков, завитых спиралями и вращающихся с высокой скоростью в разных режимах, обеспечивая прямолинейное движение, кувырки и повороты. Этот патент живой природы перенесен в Швейцарии в технику медицинских спиральных микророботов, запускаемых в тело пациента и движущихся за счет искусственных жгутиков в виде спиральных ленточек под управлением магнитного поля [7].

На спиральных генетических молекулах ДНК создаются молекулярные ДНК-компьютеры с целью их использования внутри организма для управления дозированным выделением лекарственных препаратов и пр. [8]. Патентованная сосудистая канюля с рабочей частью в виде спирали по аналогии с винтовым строением мышечной оболочки артерий позволяет оптимизировать микрогемоциркуляцию и транскапилляр-

ный обмен [9]. На основе открытия винтового движения крови запатентовано искусственное сердце [10]. Зачастую в природных, в том числе полимерных материалах самообразование спиральных структур происходит в связи с солитонными и доменообразующими процессами [11, 12]. С учетом этих знаний авторами статьи разрабатывается тема искусственных мышц на основе спирализованных полимерных нитей.

Спирали в живой материи имеют существенные отличия от спиралей в неживой природе: 1) они генетически наследуются по цепи поколений и связаны со структурами молекулярно-генетической системы, пронизанной спиралями и суперспиралями на разных уровнях ее организации — от молекул ДНК до хромосом; 2) характеристики биологических спиралей связаны с числами Фибоначчи на разных уровнях и ветвях биологической эволюции — от альфа-пептидов до строения целостных тел растений и животных, что отражено в известных биоматематических "законах филлотаксиса (листорасположения)", которым в мире посвящены тысячи публикаций [13, 14].

Для физиотерапевтического применения перспективны гидроволновые стимуляторы физиологических функций (или, кратко, гидромассажеры), генерирующие спиральные струи вакуум-прессующего действия для физиотерапии (патенты [15, 16]). Эти стимуляторы исследуются в настоящее время в ИМАШ РАН и Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН совместно с медиками "Федерального научно-клинического центра специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий Федерального медико-биологического агентства". Данный тип спиральных гидровоздействий объединяет в себе сразу несколько видов воздействий, которые по отдельности давно применяются в физиотерапии в силу их эффективности. Во-первых, в современные учебники массажа перекочевали из книг Древнего Китая и даосских мудрецов утверждения об особой ценности именно спирального массажа. Согласно им, массажные движения, выполняемые по спирали, укрепляют жизненные силы потому, что связаны с наследуемыми спиральными процессами и структурами.

Во-вторых, в разных разделах медицины — общей хирургии, стоматологии, офтальмологии, гинекологии и пр. — давно используются вакуумные воздействия для интенсификации крово- и лимфотоков организма, рассасывания воспалений, облегченного введения лекарственных составов, лечения раневых поверхностей (метод наружной вакуум-аспирации выдающегося русского хирурга Н.И. Пирогова) и т.д. [17—19]. Известным всем примером являются медицинские вакуумные банки, издревле используемые при лечении простуд и многих других нарушениях здоровья.

В-третьих, известно, что наибольшим лечебным эффектом обладает вибрационный массаж в следующих диапазонах частот вибраций: низком 10—50 Гц, среднем 100—300 Гц и высоком 1000 Гц и более [20, 21]. В названных гидромассажерах используется средний из этих частотных диапазонов.

В-четвертых, гидромассаж относится к области гидротерапии, одной из древнейших в медицине, в которой поколениями медиков разработано множество лекарственных составов на водной основе (содовые, радоновые, йодобромные, углекислые, сероводородные и пр.), применимых также в этих гидромассажерах. Согласно эволюционной теории, живые организмы вышли на сушу из воды. Поэтому, попадая в воду, организм человека переходит в особое физиологическое состояние, особенности которого зависят от состава воды и действующих при этом физико-химических факторов. В частности, в этом состоянии меняются характеристики его кожного покрова, в том числе проницаемость кожи для проникновения лекарств внутрь организма. Кожа человека, в отличие от всех остальных приматов, имеет ряд уникальных особенностей, включая отсутствие развитого волосяного покрова, расположение по всему телу потовых желез и открытость его кожного покрова воздействию факторов внешней среды, в том числе волновых и вибрационных.

Гидромассажер описываемого типа при его подключении к шлангу с давлением воды в 2 атмосферы и более и погружении в ванну (или другую емкость с водой) формирует спирально закрученные водяные струи вакуум-прессующего воздействия на кож-

1

Вода

Рис. 2. Иллюстрация (а) спирально-вакуумного характера струи из гидромассажера, притягивающей легкую дощечку и заставляющей ее при этом вращаться. Схема человека (б), принимающего в ванне сеанс гидроволновой стимуляции на коврике, содержащем множество гидроволновых насадок (из [22])

ный покров человека (рис. 2). Это достигается за счет наличия особых каналов в таком стимуляторе и взаимодействия отдельных струй из них при объединении в общую итоговую струю. При этом вакуум периодически создается с частотой в 100—300 Гц за счет разрыва сплошности воды в центре исходящей струи и образования там паро

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»