Thiết bị siêu nhạy sử dụng
cho đo lường cơ học của tơ
cơ
Bởi:
NCS. Nguyễn Phan Kiên
Đây là một hệ thống thiết bị mới được sử dụng để đo lường cơ cấu cơ học của tơ cơ.
Nguyên tắc hoạt động của các bộ cảm biến của hệ thống này là việc thực hiện gắn các
tơ vơ với một sợi dây dẫn cứng treo trong một từ trường. Các mạch hồi tiếp sẽ đưa dòng
điện truyền qua dây dẫn nhằm duy trì được độ dài không đổi của tơ cơ khi tơ cơ co lại.
Vị trí của dây được đo bằng hệ thống quang với độ phân giải dưới 1Ao. Hệ thống đo
tơ cơ bao gồm 2 cảm biến độc lập và có khả năng chuyển sức căng xuống dưới 0,5 ng/
sqrt(Hz) và điều khiển độ dài của tơ cơ với tốc độ tăng theo thời gian khoảng 10us. Các
thiết kế quang học và điện tử của hệ thông và các bước hiệu chỉnh cũng sẽ được mô tả
chi tiết dưới đây. Thiết kế đầu đo thí nghiệm, bộ điều khiển luồng và phương pháp loại
bỏ nhiễu môi trường cũng được đề cập
Cho đến gần đây, các thí nghiệm cho cấp độ bé nhất đã được thực hiện trong các thí
nghiệm về đo cơ học của sarcomere có liên quan tới các đáp ứng động với tốc độ đáp
ứng rất cao trong các sợi cơ đơn của cơ xương (thông thường đường kính của nó khoẳng
từ 50 cho tới 100 um) mà các sợi cơ này thực hiện tạo ra các lực tương ứng với khoảng
100mg. Tuy nhiên, việc làm sáng tỏ cơ cấu cơ học của các sợi cơ đơn cũng có thể bị
che khuất bởi một số các phản ứng bất thường của các sarcomere. Các đáp ứng sức căng
đối với các kích thích hoá học và cơ học trong tơ cơ đơn chỉ chứa đựng có 10 đến 20
sarcomere có thể cải thiện được quá trình phân tích cơ cấu của sarcomere. Tuy nhiên,
nó không chỉ bao gồm mức độ khó liên quan tới tách tơ cơ đơn khoẻ mạnh cách ly từ bó
cơ lớn mà nó còn đòi hỏi một yêu cầu cực kỳ cao đối với các cảm biến lực và khống chế
chiều dài. Các yêu cầu đều dành cho các mục đích:
1) Dải lực đo: 0-100ug
2) Độ phân giải lực: 0,1 ug trên tất cả dải tần yêu cầu
Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ
1/9
3) Dải tần lực: ít nhất là 1kHz nhưng kéo lên tới 50kHz có thể đòi hỏi cho các thí nghiệm
có độ nhạy cao
4) Độ phân giải điều khiển độ dài: lớn hơn 50nm trong cả dải tần yêu cầu
5) Dải tần điều khiển độ dài: Ít nhất là 3kHz nhưng kéo lên tới 50kHz cho các thí nghiệm
có độ nhạy cao.
Các yêu cầu thậm chí sẽ khắt khe hơn khi đo đạc dao động sức căng tạo ra bởi chu trình
cấu trúc cầu nối mà tại đó mức độ phân giải lực cần phải đạt mức 1ng / sqrt(Hz).
Các phương pháp đo cơ cấu tế bào đơn và các bó nhỏ của các tơ cơ cũng đã được đề
cập tới nhiều nhưng vấn đề chính lại là mức độ tương phụ thuộc của các cảm biến lực
(nhằm tăng độ nhạy) đối với sự hạn chế về băng tần. Một vấn đề khác cùng với các thiết
kế thông thường là việc thực hiện điều khiển độ dài với một tốc độ đáp ứng và độ phân
giải chưa thực sự cao. Thành công mới trong cấu trúc các thiết bị thí nghiệm phù hợp
với việc phân tích thuộc tính cơ học của tơ cơ sẽ được chỉ ra ở dưới đây.
Nguyên tắc hoạt động
Tất cả các cảm biến thực hiện cảm nhận sự thay đổi vị trí (hay sức căng) đối với tác
dụng của lực. Một vấn đề chung trong các cảm biến lực là phân biệt điểm cảm biến và
điểm của lực tác dụng. Mối liên kết giữa hai điểm này làm suy giảm tần số đáp ứng với
các hoạt động do bộ lọc cơ học có khối lượng và mức độ co giãn riêng của nó. Một điểm
chú ý quan trọng là phương pháp gắn sợi cơ. Thông thường đường kính của một tơ cơ
là khoảng từ 1-2um và một tế bào cơ tim đơn lẻ nhỏ chỉ khoảng 3 đến 10um. Chúng quá
yếu đối với các phương pháp kẹp cơ học và cần phải được gắn rất chắn trong khi chúng
lại quá mềm tại thời điểm gắn và lại cứng lại rất nhanh trong nước.
Nguyên lý đo lực
Thiết kế cảm biến được mô tả trong hình 1. Một tơ cơ (hoặc một tế bào cơ nhỏ) được
gắn với hai dây dẫn rất nhỏ treo song song với nhau. Từ trường cung cấp vuông góc với
mặt phẳng dây và tơ cơ. Vị trí của hai dây được xác định bởi các phôtô điốt riêng rẽ và
độ lệch vị trí các dây sẽ được xác định khi tơ cơ co lại. Các dòng điện được truyền qua
các hướng và giá trị biên độ lực điện từ sẽ được xác định thông qua tương tác giữa dòng
điện trong hai dây dẫn và mật độ thông lượng từ trường một cách chính xác tương ứng
với lực của tơ cơ. Do đó, vị trí của dây duy trì một trạng thái tĩnh ảo khi đặt dưới sự
Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ
2/9
quản lý của một mô tơ servo và độ cứng của dây dẫn sẽ tăng lên theo bậc mũ 3 của biên
độ. Biên độ dòng điện tỷ lệ thuận với lực của tơ cơ. Trên thực tế, một dây dẫn sẽ hoạt
động như là một cảm biến lực và một dây còn lại được coi như là cảm biến điều khiển
độ dài thông qua việc tối ưu hoá mạch điều kiển cho mô tơ servo.
Các vấn đề quan tâm tới thiết kế
Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ hệ thống đo
Sơ đồ tổng quan của hệ thống được chỉ ra ở trong hình 2. Ánh sáng được điều chỉnh từ
một đèn halogen được chiếu qua một vòng nam châm mà nam châm này tạo ra một từ
trường theo chiều dọc vuông góc với tơ cơ. Ánh sáng truyền qua tơ cơ đầu tiên được
phân chia bởi một tấm phim mỏng và 5% ánh sáng của nó được truyền tới khu vực mắt
quan sát. Phần năng lượng còn lại 95% được phản xạ bởi một gương phẳng và chiếu tới
3 bộ phát hiện quang khác nhau. 30% trong số ánh sáng phản xạ được truyền qua một
khe hở biến đổi được và truyền qua một ống kính trụ tròn có khả năng tập trung các
điểm ảnh cảu tơ cơ trên một mảng điốt quang bao gốmg 1024 phần tử nhằm tạo ra ảnh
video của mỗi sarcomere theo thời gian thực. Ánh sáng còn lại là hình chiếu tối của mỗi
sợi dây tương ứng với các bộ phát hiện. Mỗi bộ phát hiện vị trí sợi dây có thể điều khiển
một cách độc lập bởi một môtơ siêu nhỏ điều khiển từ xã mà nó có khả năng điều chỉnh
vị trí gốc tới chính giữa ảnh của sợi dây.
Phần quang
Trong hệ thống này, người ta chọn kính hiển vi kiểu M-101F do thiết kế đơn giản của
nó và nó cho phép thực hiện những thay đổi mới trong một phạm vi rộng hơn. Đế được
thay thế bởi một tấm hợp kim nhôm kích thước 38x38x1.25 được khoan các lỗ để gắn
được tất cả các thành phần. Độ cứng vững cơ khí và ổn định nhiệt là điều cực kỳ quan
trọng để đảm bảo phát hiện được các thay đổi nhỏ cỡ Ao đối với vị trí của sợi dây. Tất
cả các thiết bị hỗ trợ và phụ trợ đều được chế tạo từ nhôm và được điều chỉnh thông qua
đồng hồ đo cỡ micro hay các đinh vít hiệu chỉnh cực kỳ chính xác.
Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ
3/9
Phần nam châm
Yêu cầu đối với từ trường bao gồm:
1) Dạng đường sức từ song song và chuẩn trong vùng khối kích thước khoảng 1mm3.
2) Mật độ thông lượng khoảng vài trăm Gauss (làm giảm yêu cầu đối với dòng điều
khiển)
3) Không có vật cản trở đối với ánh sáng chiếu.
Vật liệu nam châm là một hợp kim cobalt hiếm dạng tròn với đường kính trong là 6,5mm
và đường kính ngoài là 12,5 mm, độ dày là 10mm. Phân bố từ trường nam châm chia
làm 2 vùng (6mm từ trên xuống dưới) them trục trung tâm có dạng chuẩn, đường sức
từ song song như chỉ ra trong vùng vòng tròn đứt nét. Mật độ thông lượng trong vùng
chuẩn khoảng 600G. Nam châm dạng vòng này có thể được chuyển ra xa trước khi thực
hiện các thí nghiệm. Theo quan sát, không có ảnh hưởng của từ trường lên tơ cơ.
Bộ phát hiện vị trí
Phân bố từ trường của vòng nam châm
Bộ phát hiện vị trí dây là thành phần vô cùng quan trọng trong hệ thống cũng như là
nó xác định giới hạn độ phân giải của các cảm biến lực và độ dài tờ cơ. Hình chiếu của
dây (12um đường kính) được chiếu vào tâm của điốt quang (Xem hình 2) gồm 2 điốt
quang hình chữ nhật (2,5x1,25mm) với một hố gấp 1,25mm. Dây dẫn sẽ tạo ra một vạch
đen trên cả hai điốt quang trong khi độ rộng của ảnh chỉ khoảng 0,6mm. Khi vị trí dây
bị dịch khỏi vị trí trung tâm, một điốt quang này sẽ nhận được nhiều ánh sáng hơn điốt
quang còn lại. Sự khác nhau giữa hai dòng điện tương ứng với các vị trí dây dẫn sẽ chỉ
ra độ lệch tương ứng của dây dẫn. Sự khác nhau này được xác định bởi chênh lệch với
dòng tổng trung bình của mỗi điốt quang. Hình dưới chỉ ra sơ đồ mạch đơn giản hoá của
mạch phát hiện vị trí.
Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ
4/9
Sơ đồ mạch đơn giản của bộ phát hiện vị trí
Do hầu hết các nhiễu trong tín hiệu vị trí của dây được tạo ra bởi điốt quang và bộ biến
đổi dòng-áp nên việc lựa chọn điốt quang, U1 và U2 là rất quan trọng. U1 và U2 cần
phải có tương quan hệ số khuếch đại và dải tần lên tới 10Mhz và có dòng định thiên đầu
vào rất thấp (cỡ pA) và nhiều điện áp cực thấp (<10nV/sqrt(Hz)). Mạch chỉ ra trong hình
5 cho thấy một hiệu suất tuyệt vời cho bộ biến đổi dòng-áp.U3, U4 và U5 không quan
trọng lắm nhưng nên sử dụng các bộ khuếch đại thuật toán có cấu trúc transitor trường
nhiễu thấp (cụ thể là nên dùng OPA111). Cáp nối giữa các điốt quang (PD) và U1, U2
phải mềm (bởi PD được gắn trên bộ dịch chuyển) và nên ngắn để giảm điện dung của
cáp. Diện tích của PD được phân bố khoảng 75um cách trung tâm từ vị trí tơ cơ để tránh
ảnh hưởng bóng tối của tơ cơ đến PD.
Bộ điều khiển mô tơ servo
Sơ đồ khối điều khiển mô tơ servo
Thiết kế chi tiết của bộ điều khiển mô tơ servo là dựa trên mục tiêu chính của bài báo
này. Bộ điều khiển mô tơ servo có hai vòng độc lập cho việc điều khiển dây bên trái
(điều khiển độ dài) và dây bên phải (cảm biến lực). Bộ phát hiện vị trí dây trái (hình 6)
gửi tín hiệu tỷ lệ với độ lệch so với vị trí tâm (hệ số chuyển đổi = 1V/um). Khi lệnh điều
chỉnh độ dài (thay đổi độ dài là chủ yếu so với độ dài tuyệt đối của tơ cơ) được cung
cấp thì lỗi (lệnh trừ vị trí thực tế) được khuếch đại thông qua bộ khuếch đại vi sai. Hệ
số khuyếch đại có thể biến đổi liên tục từ 0 tới 5000 lần mà điều này thực sự quan trong
trong việc thực hiện khởi động mô tơ servo một cách an toàn. Tín hiệu lỗi được khuếch
đại lên sau đó được cung cấp tới mạch so sánh. Chu trình mô tơ servo được ổn định tại
hệ số khuếch đại vòng cao nhất thông quá việc điều chỉnh 3 điểm cực (cờ pha) và 2 điểm
không (dẫn pha). Tín hiệu được so sanh và được truyền một cách đan xen và được ngắt
bởi hệ thống ngắt với chu kỳ khoảng 1us để tránh hiện tượng tương tác lẫn nhau của 2
dòng điện 2 dây. Cần thiết phải cung cấp các dòng điện qua dây dẫn từ các nguồn có trở
kháng rất cao nhằm chống lại dòng cảm ứng do dòng chảy bên trong dây gây ra. Thiết
bị ngắt được điều khiển bởi một bộ dao động thạch anh tần số 1Mhz thông qua bộ chia
để đảm bảo chu kỳ ngắt tương tự cho cả 2 dây dẫn. Mạch tạo dạng xung được sử dụng
Thiết bị siêu nhạy sử dụng cho đo lường cơ học của tơ cơ
5/9