Расширяющийся мир миниатюризации

Рэй Чалмерс | 22 декабря 2022 г.

Глядя на растущее количество примеров миниатюризации в мире дизайна и производства продуктов, на ум приходит пословица: «Форма следует за функцией». Во все большем числе случаев сморщивание форм становится все менее и менее серьезным препятствием на пути к улучшению функций. Некоторыми очевидными промышленными категориями, которые больше всего выигрывают от миниатюризации компонентов и снижения веса двигателей, зубчатых передач, приводов, средств управления движением, датчиков и т. д., являются мобильная робототехника, медико-биологические науки (особенно там, где устройство может быть имплантировано или перенесено пользователем), аэрокосмический, военный и транспортный рынки. Потенциальное воздействие на человечество огромно.

Питер ван Бик, менеджер по развитию бизнеса компании Maxon (швейцарской компании, специализирующейся на приводных системах), говорит, что для его компании порог миниатюрности находится в диапазоне диаметров от 4 до 8 мм. «Компоненты, используемые для этих диаметров, считаются миниатюрными», — говорит он. «Изготовление деталей таких размеров в основном осуществляется на заказ, поскольку классические методы обработки невозможны».

По словам ван Бека, компания Maxon начала с 6-мм аппликаций много лет назад, но первоначальные разработки не оправдали ожиданий компании. «Теперь, после 15 лет дополнительных усовершенствований конструкции, этот же узел привода имеет стабильные значения крутящего момента и скорости. Технологии обмотки и магнитов улучшились, что привело к увеличению выходной мощности». Многополюсные пары также имеют увеличенный крутящий момент для этого двигателя.

Короче говоря, все должно собраться воедино, чтобы обеспечить достаточную мощность небольших устройств, добавляет ван Бик. Трение необходимо свести к минимуму даже на скоростях до 100 000 об/мин. Партнеры по скольжению (два материала) должны быть совместимыми. Это может включать обработку поверхности стали для улучшения микроструктуры поверхности, использование керамики или интерфейсов «драгоценный камень». Для динамически сопрягаемых деталей компания maxon анализирует и выбирает оптимальные парные материалы, обладающие наилучшей твердостью и шероховатостью поверхности.

Procyrion и Maxon сотрудничали в течение нескольких лет над разработкой внутриаортального кровяного насоса Aortix, который в настоящее время проходит клинические испытания. Кардиолог доставляет аортикс размером всего около 6 мм в диаметре и 6,5 см в длину через катетер, введенный в бедренную артерию и продвигающийся к нисходящей грудной аорте. Как только оболочка катетера втягивается, саморасширяющиеся никель-титановые распорки раскрываются, стабилизируя входное отверстие насоса в центре аорты. Аортикс ускоряет часть естественного кровотока организма внутри насоса и проталкивает ее через отверстия для захвата жидкости, направленные вниз по течению. Устройство способствует поддержанию естественного аортального кровотока, передаче энергии сердечно-сосудистой системе и, таким образом, дает сердцу отдых и увеличивает приток крови к почкам и другим органам. В доклинической модели хронической сердечной недостаточности Аортикс снизил необходимое потребление энергии сердцем на 39 процентов, одновременно увеличив его производительность на 14%, потенциально позволяя сердцу работать более эффективно и, возможно, способствуя сердечной реабилитации и восстановлению. В аналогичных условиях Аортикс повышал артериальное давление и кровоток в почечной артерии более чем на 30%. Это преимущество может помочь в лечении сердечной недостаточности, в которой почки играют важную роль.

Приводом Aortix является бесщеточный EC-двигатель Maxon диаметром 6 мм с индивидуальными электрическими выводами, длиной вала и подшипниками. Компания Maxon также разработала для двигателя биосовместимый корпус в форме торпеды. Интегрированная конструкция двигателя, насоса и потока крови через насос была задумана, чтобы позволить насосу работать в крови в течение длительного времени. В этой конструкции двигатель и импеллерный насос магнитно связаны, что позволяет устанавливать двигатель внутри герметично закрытой камеры, в то время как импеллерный насос находится в непосредственном контакте с перекачиваемой кровью. Устройство насоса с магнитной связью — это метод, который иногда используется для гигантских насосов на нефтяных месторождениях, но благодаря богатому опыту Maxon в различных отраслях компания смогла помочь команде Procyrion успешно перенести эту технологию в миниатюрное медицинское применение.