【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料科学，具体是一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法。
技术介绍
1、在材料科学领域中，挤出式打印的地位非常重要。这是一种将生物材料通过喷头挤出并在基板上堆积的打印方法，具有广泛应用和操作简便的优势。尽管挤出打印技术可以通过计算机模拟路径实现打印形状的控制，但对于螺旋形状的构建，需要复杂的基于体素的路径规划算法以及优化的曲线拟合技术生成连续的子路径，同时要保证打印机具备高稳定性和高精度的打印能力。有研究人员开发了具有自组装或自修复能力的智能材料，在打印过程中或之后通过环境刺激调整其形状或功能，不过这对于材料的要求也很严格，因此现阶段这种复杂灵活的螺旋结构的打印仍存在着挑战。
2、物理学中下落的液体会产生不同的盘绕形态的现象叫作卷绳效应，打印时调整喷头高度会诱发这种自然现象，产生一系列连续的卷绕轨迹。仅仅增加一个打印高度参数，可以大大简化螺旋形状的控制问题。2015年剑桥大学流体力学john ronald lister教授将粘稠的蜜蜂以一定高度挤出式打印到运动的传送带上，得到了一系列连续的螺旋轨迹，利用打印速度和卷绕速度开发了运动预测的数学模型。但是由于材料卷绕速度不是常见的打印参数，数值难以测量，限制了其应用。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料螺旋形状的方法，本专利技术利用卷绳效应通过增加喷头高度参数h，能够在打印过程中产生稳定的螺旋结构，可以简化螺旋形状的控制问题，同时
2、为了达到上述技术目的，本专利技术提供了一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，具体包括以下步骤：
3、s1.挤出打印：采用挤出式打印技术针对匀浆材料进行打印，调整适宜喷头高度触发匀浆材料下落过程的的卷绳效应，以打印出不同卷绕形状；
4、s2.拟合数学模型：记录挤出打印的打印形状，测量螺旋形状几何数据，拟合打印参数组合与螺旋形状几何数据的二元二次函数关系的数学模型，在matlab里建立可视化函数关系；所述打印参数包括打印速度v和喷头高度h；所述螺旋形状几何数据包括螺旋半径r和螺旋间距l；
5、s3.构建预测代码：通过拟合的打印参数组合与螺旋形状几何数据二元二次函数关系的数学模型构建了预测代码，使得用户将需要的螺旋形状几何数据r和l输入计算机的代码命令行窗口，得到对应的打印参数组合v和h；
6、s4.螺旋制造：利用打印参数组合打印出所需匀浆螺旋形状。
7、本专利技术进一步的技术方案：所述s1步骤的匀浆材料采用肌肉匀浆，所述肌肉匀浆是采用新鲜肌肉组织，将其剪碎、研磨、乳化制备而成，将制备好的肌肉匀浆装入注射器，选择适宜直径的针头，利用挤出式打印机，调整喷头高度和移动速度，通过卷绳效应实现材料的卷绕和堆叠，使得材料自然卷绕形成规则螺旋结构；所述新鲜肌肉组织来源于不同种类的动物。
8、本专利技术进一步的技术方案：所述s2步骤中收集同种规则螺旋形状的几何数据即螺旋半径r和螺距l，拟合出喷头高度h和打印速度v与半径r和螺距l的二元二次函数关系的数学模型ft，在matlab里建立可视化函数关系，建立过程如下：
9、s201.定义一个每行包含四个数据的矩阵，分别代表h、v、l和r的值，然后将喷头高度h和打印速度v、测得的螺旋半径r和螺距l的数据输入到矩阵内，将这个数据集作为模型训练的基础；然后将矩阵中的各列提取到单独的变量中，h和v为预测的变量，r和l为使用的自变量，使用fit函数对数据进行多项式拟合，得到一个二次多项式曲面模型'poly22'，通用形式为：
10、f(x,y)＝p00+p10*x+p01*y+p20*x^2+p11*x*y+p02*y^2；
11、其中规定h＝p00+p10*l+p01*r+p20*l^2+p11*l*r+p02*r^2；
12、v＝q00+q10*l+q01*r+q20*l^2+q11*l*r+q02*r^2；
13、s202.利用coeffvalues函数提取拟合曲面模型ft的系数，并将其存储在coefficients向量中；将coefficients向量中的各个系数分配到相应的变量p00、p10、p01、p20、p11、p02、q00、q10、q01、q20、q11、q02中，得到了h、v与l、r的具体数学关系式，通过disp函数输出h和v的函数表达式；
14、s203.利用meshgrid函数生成一个网格，用于在l和r的范围内创建一系列点，通过linspace(min(l),max(l),50)和linspace(min(r),max(r),50)分别在l和r的最小值和最大值之间生成50个等间距点；规定ft_h和ft_v是步骤s202内得到的h和v的函数，在生成的网格点上通过feval函数计算出h和v的值；然后利用figure函数创建一个新的图形窗口，subplot(1,2,1)和subplot(1,2,2)将图形窗口分成一行两列，分别用于显示v和h的函数图；使用surf函数绘制出三维表面图，建立起v和h与l和r的可视化函数关系。
15、本专利技术进一步的技术方案：所述s3步骤中通过数学模型构建代码的过程如下：
16、(1)通过input函数提示用户输入r和l的值，并将输入值存储在r_input和l_input变量中；
17、(2)用@(r_input,l_input)定义变量名为gethfromlr的匿名函数，用来接受两个输入参数r_input和l_input；
18、(3)通过feval将输入的r_input和l_input传递到s201步骤中拟合的曲面模型ft_h中，从而计算出对应的h，最后通过disp函数输出h的数值，即为h的预测值；
19、(4)用同样的方法创建一个变量名为getvfromrl的函数，用来接受两个输入参数r_input和l_input，同样使用feval函数将输入的r_input和l_input传递给s203步骤中拟合的曲面模型ft_v，输出相应的v值，即为v的预测值。
20、本专利技术较优的技术方案：所述s4步骤中将s3步骤中得到的打印参数输入到打印机中进行实际打印，观察一段螺旋形状上不同位置处螺旋半径r和螺旋间距l是否相同，确保其偏差范围：r≤0.2mm，l≤0.5mm，以保证螺旋的均匀性；如果发现偏差超过偏差范围，根据模型和实际结果进一步调整h和v；当r存在偏差时可以降低h，当l存在偏差可以增加或减小v，以确保打印效果的准确性，制造出所需螺旋形状的肌肉匀浆。
21、本专利技术较优的技术方案：所述肌肉匀浆的制备过程如下：
22、(1)取新鲜肌肉组织，用pbs溶液冲洗除去表面的血凝块，剔除表面的脂肪组织和筋膜组织后再次用pbs溶液冲洗，用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于：所述S1步骤的匀浆材料采用肌肉匀浆，所述肌肉匀浆是采用新鲜肌肉组织，将其剪碎、研磨、乳化制备而成，将制备好的肌肉匀浆装入注射器，选择适宜直径的针头，利用挤出式打印机，调整喷头高度和移动速度，通过卷绳效应实现材料的卷绕和堆叠，使得材料自然卷绕形成规则螺旋结构；所述新鲜肌肉组织来源于不同种类的动物。
3.根据权利要求1所述的一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于，所述S2步骤中收集同种规则螺旋形状的几何数据即螺旋半径R和螺距L，拟合出喷头高度H和打印速度V与半径R和螺距L的二元二次函数关系的数学模型ft，在matlab里建立可视化函数关系，建立过程如下：
4.根据权利要求3所述的一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于，所述S3步骤中通过数学模型构建代码的过程如下：
5.根据权利要求1所述的一种利用卷
6.根据权利要求2所述的一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于，所述肌肉匀浆的制备过程如下：
7.根据权利要求2所述的一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于，所述步骤S202中，针对于蜿蜒形螺旋，拟合的公式：H＝2+(3.2228e-16)*L+5*R+(-9.8648e-17)*L^2+(1.3684e-15)*L*R+(-5.7281e-15)*R^2；
...【技术特征摘要】
1.一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于：所述s1步骤的匀浆材料采用肌肉匀浆，所述肌肉匀浆是采用新鲜肌肉组织，将其剪碎、研磨、乳化制备而成，将制备好的肌肉匀浆装入注射器，选择适宜直径的针头，利用挤出式打印机，调整喷头高度和移动速度，通过卷绳效应实现材料的卷绕和堆叠，使得材料自然卷绕形成规则螺旋结构；所述新鲜肌肉组织来源于不同种类的动物。
3.根据权利要求1所述的一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于，所述s2步骤中收集同种规则螺旋形状的几何数据即螺旋半径r和螺距l，拟合出喷头高度h和打印速度v与半径r和螺距l的二元二次函数关系的数学模型ft，在matlab里建立可视化函数关系，建立过程如下：
4.根据权利要求3所述的一种利用卷绳效应拟合打印轨迹调控匀浆材料的螺旋形状的方法，其特征在于，所述s3步骤中通过数学模型构建代码...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴远昊，于达文，张郭，苏姗姗，余智泉，罗腾龙，杨杰，孙家明，
申请(专利权)人：华中科技大学同济医学院附属协和医院，
类型：发明
国别省市：
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