胡雨农^1,2，俞经虎^1,2，钱善华^1,2，曹 澍^1,2，陈 曦^1,2

(1. 江南大学机械工程学院，江苏 无锡214122）

(2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡214122)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51375209)

作者简介：胡雨农（1992—）,男，硕士研究生，主要研究方向为现代机械设计与制造，namdevy@163.com.

通讯作者：俞经虎，男，教授， jhyu@jiangnan.edu.cn.

摘要：为探究食物材料特性与吞咽系统的相互影响，设计了一种模拟人体食道蠕动的软体驱动器。选择软体材料硅橡胶制备驱动器本体，通过硅橡胶材料试验获得其Yeoh模型（超弹性材料应力应变本构模型）的二次项常数，并将其作为ABAQUS软件中材料模型的输入条件，具体分析了各个腔室结构参数对软体驱动器变形特性的影响，从而确定满足仿生蠕动运动结构的尺寸参数。

关键词：吞咽；仿生；软体驱动器

中图分类号：TH138   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)04-0029-05

日常生活中，进食是人类个体生存的本能，同时也带来了美好的味觉享受^［1］。吞咽是人类最复杂的行为之一， 而各种食道疾病导致的吞咽障碍严重影响了患者的身体健康。调查发现，吞咽障碍是较常见的临床病症，其在老年人中罹患率较高，且随着年龄的增长而增^［2-4］。

吞咽动作会受到食物材料特性（例如黏度、硬度、体积、温度等）的影响^［5］。对于吞咽障碍患者来说，将食品调整到安全吞咽的质构和流变学特性范围，使患者易于进食和消化，是一种长期而有效的治疗手段^［6］。然而由于吞咽系统的复杂性以及体内检测的高风险，要获取吞咽时食物流动情况十分困难，这也阻碍了食物材料特性对吞咽过程影响的研究以及食品研究人员对安全功能食品的开发。

本文基于人体食道的蠕动机理，提出并设计了一种从材料、结构以及运动方式上模拟人体食道蠕动的多腔体式气动软体驱动器。该软体驱动器可以作为安全的体外试验平台，用于研究食物材料特性与吞咽行为的相互影响关系以及食物被吞咽后的流动特性，这对于提高吞咽障碍的诊断与治疗水平、开发安全功能食品有着重要的意义。

1 气动仿食道蠕动软体驱动器的结构

1.1 人体食道蠕动机理及蠕动参数

人体食道是一条由肌肉组成的管道，主要由外层环形肌、中层纵向肌和内层黏膜构成。食道的主要功能是通过蠕动运输食物进入胃部。食道蠕动是一种向前推进的波形运动，由食道环形肌和纵形肌有序地收缩和放松产生。食道的吞咽过程如图1所示。食道上括约肌和下括约肌在吞咽动作之前保持闭合，当有吞咽动作时，食道上括约肌打开并让食物团从咽部进入食道，然后食道的环形肌收缩并在食物团的尾部施加驱动压力，迫使食物团向下运动。收缩波以10～40 mm/s的速度传播，需要5～10 s的时间到达食道下括约肌，到达时食道下括约肌打开。在食物团进入胃部的过程中，食道下括约肌也保持5～10 s的开放时间，食物团进入胃部后再次闭合以防止食物或者胃酸反向流动^［7］。查阅文献知，成年人食道长度为210～270 mm，内径大约为20 mm^［8］，吞咽时食物的平均速度是10～40 mm/s，食道内最大压力值大约为108 mmHg^［9］。