При физиологических исследованиях механотроны применяются для измерения и регистрации механических параметров сократительных эффектов следующих объектов:
— изолированных мышц;
— изолированных органов живых организмов;
— различных мышечных фрагментов (мышечные полоски);
— отдельных мышечных клеток (мышечных волокон).
Рассмотрим схему устройства для исследования изолированных мышечных объектов в изотермическом режиме, при котором усилия, развиваемые мышечным объектом, происходят при практически неизменных его размерах.
Устройство состоит из механотронного преобразователя 1, штырь которого посредством гибкой тяги 2 соединён с мышцей 3, которая помещена в сосуд 4, наполненных физиологическим раствором.
Мышца раздражается с помощью электрического тока, который подводится с помощью электродов 5.
Электрическая схема устройства представляет собой мост механического типа, в одну диагональ которого включен измерительный прибор ИП, и имеет два регулируемых сопротивления для регулировки анодного и сеточного токов.
В качестве измерительного прибора в данной схеме чаще всего применяются самопишущие приборы типа Н-338 и т.д.
Этот прибор прост по конструкции, а в качестве механотронного преобразователя исполнительные механизмы типа 6МХ1С. Данный механизм позволяет измерять усилия в диапазоне от 10 мг до 30 г. Для измерения усилий в более широком диапазоне применяются датчики усилий конструкции 2.
Датчик состоит из механотронного преобразователя 1, который установлен в механическом корпусе 2 и закреплён винтом 3. С целью измерения в области малых усилий на выходном штыре механотрона укреплён лёгкий трубчатый стержень 4, конец которого проходит через отверстие в ограничителе хода 5. Исследуемая мышца 8 соединена со стержнем 4 с помощью передвижного хомутика 6 с крючком 7. Прикладывая измеряемое усилие к концу стержня 4, получим максимальный для данного датчика значение чувствительности при сравнительно малом диапазоне измеряемых сил. Перемещая точку приложения силы вдоль штыря и стержня в сторону мембраны механотрона, можно расширить диапазон его измерений (например, из положения А в В).
Регулировка диапазона измерений поясняется схемой:
На данном рисунке система «мембрана — стержень» представляет собой двухплечий рычаг в точке опоры в месте спая стержня 1, удлинённого трубкой 2 с мембраной 3.
На внутреннем плече рычага укреплён подвижный анод 4, расположенный в стеклянном баллоне 5. В данном случае контролируемый механический сигнал (сила F), под действием которого подвижный анод 4 перемещается относительно неподвижного катода 6 на величину ∆d. При этом чувствительность датчика по току к входному механическому воздействию определяется:
ΨF = ( n + l ) m Ψi σF (1)
Ψi — чувствительность механотрона по току к перемещению;
σF — приведённая чувствительность кинематической системы;
n — длина штыря механотрона;
l — длина трубчатого стержня;
m — длина внутреннего плеча кинематической системы механотрона.
Из (1) видно, что для увеличения чувствительности ΨЕ необходимо увеличить плечо (n+l). При этом диапазон измеряемых сил обратно пропорционален длине внешней части стержня. Дальнейшее расширение диапазона измерений достигается за счёт применения специальной балки 9 (рис 2). Один из концов этой балки жёстко крепится к корпусу датчика, а другая соединяется со штырём механотрона с помощью гибкой тяги 10. Эта тяга выполняется в виде эластичной плоской пружины, которая жёстко закреплена в зажимах 11. При этом балка 9 выполняет роль промежуточного управляющего элемента, который непосредственно воспринимает измеряемое усилие, создаваемое мышцей 12. В результате этого можно расширить диапазон измерений от единиц мг до 10 кг.
Для измерения сокращений мышечных объектов в изотоническом режиме, т.е. в условиях постоянной нагрузки в виде растяжения мышцы, применяют устройство вида (4). На схеме 4 один конец исследуемой мышцы 1 закреплён на штанге 2, которая вместе с мышцей размещена в кювете, заполненной физическим раствором 4. Свободный конец мышцы нагружен постоянной растягивающей силой в виде грузика 5. Этот конец мышцы с помощью гофрированного поводка 6 и тяги 7 соединён с концом штыря 8 механотрона 9. В качестве механотрона применяется широкодиапазонный прибор. Корпус механотрона при помощи кронштейна 10 и хомута 11 прикреплён на наружной стенке кюветы 3.
Электростимулятор 12 предназначен для стимуляции сокращений мышцы. При сокращении мышцы свободный конец её совершает возвратно-поступательные движения по вертикали. Это перемещение фиксируется механотроном и регистрируется с помощью самописца.
Изотонический режим используется обычно для регистрации сокращений образцов тонкого кишечника у животных. Возникающие при этом перемещения составляют ≈ 1 – 5 мм, а нагрузка на испытуемый объект 1 – 3 г.