Labotoř biomechaniky

Vedoucí laboratoře

Zlámal Petr, Ing., Ph.D.

Činnost

Laboratoř biomechaniky poskytuje podporu pro výzkumnou činnost Oddělení biomechaniky především s ohledem na experimentální stanovení mechanických vlastností biologických tkání a uměle vytvořených biokompatibilních struktur pomocí mikromechanických zatěžovacích testů a radiografických metod. Vedle experimentální činnosti v rámci běžících projektů v Laboratoři biomechaniky dochází k vývoji specializovaných experimentálních zařízení a programového vybavení umožňující rozšíření stávajících experimentálních možností pracoviště. Mimo prostor pro samotné provádění experimentálních zkoušek tak Laboratoř biomechaniky poskytuje zázemí pro návrh, zprovoznění a testování vyvíjených experimentálních zařízení a soustav.

Výzkumné vybavení (současné)

• Modulární jednoosé zatěžovací zařízení použitelné pro radiografická nebo optická měření do 10 kN (vlastní konstrukce)

Kompaktní jednoosé zatežovací zařízení s kapacitou 10 kN a výměnným nosným rámem z vysokopevnostního plastu nebo uhlíkového kompozitu pro použití během optických nebo radiografických měření. Motorizovaná zatěžovací osa s pracovním rozsahem 22 mm je osazena siloměrem pro měření vyvinuté síly na vzorek (s možností výměny siloměru pro změnu měřícího rozsahu dle požadavku měření).

• Jednoosé zatěžovací zařízení použitelné pro optická a radiografická měření do 0.5 kN (vlastní konstrukce)

Kompaktní jednoosé zatežovací zařízení s kapacitou 0.5 kN a nosným plexisklovým rámem pro použití během radiografických měření s možností optického sledování deformace. Motorizovaná zatěžovací osa s pracovním rozsahem 20 mm je osazena siloměrem pro měření vyvinuté síly na vzorek (s možností výměny siloměru pro změnu měřícího rozsahu dle požadavku měření). Zařízení je primárně určeno pro testování vzorků trabekulárních kostí a tkáňových nosičů.

• Zatěžovací zařízení pro čtyřbodový ohyb použitelné pro radiografická měření a měření kvazi-křehkých materiálů (vlastní konstrukce)

Kompaktní zatěžovací zařízení pro čtyřbodový ohyb s kapacitou 2x 1.25 kN (1.25 kN na jednu zatěžovací podporu) a nosným rámem v prostoru vzorku z uhlíkového kompozitu pro použití během radiografických měření. Zařízení se skládá ze dvou zatěžovacích jednotek umožňující přesné synchronizované polohování zatěžovací osy, vyčítání polohy z enkodéru a vyčítání síly aplikované na vzorek. Prostor vzorku je uzpůsoben pro vzorky do délky 300 mm. Kabeláž pro řídící, měřící i silové signály je z každé jednotky vyvedena pomocí sběrného rotačního kroužku. Toto řešení umožňuje nelimitovaný počet rotací zatěžovacího zařízení při tomografických měření.

• Jednoosé zatěžovací zařízení použitelné pro optická a radiografická měření s možností osazení komorou pro biologické vzorky do 3 kN (vlastní konstrukce)

Kompaktní jednoosé zatěžovací zařízení se zatížitelností 3 kN a výměnným nosným rámem z hliníkové slitiny (opatřen průzory) nebo uhlíkového kompozitu pro použití během optických nebo radiografických měření. Polohování zatěžovací osy (s pracovním rozsahem 30 mm) je zajištěno přesným kuličkovým šroubem s čtveřicí vodících kolejnic a dosahuje přesnosti 20 um. Volitelně může být zatěžovací zařízení osazeno komorou pro umístění vzorku, ve které je možné udržovat stabilní oběh kapaliny o zvolené teplotě a tímto simulovat při experimentu přirozené prostředí pro biologické vzorky. Kabeláž pro řídící, měřící i silové signály je vyvedena pomocí sběrného rotačního kroužku. Toto řešení umožňuje nelimitovaný počet rotací zatěžovacího zařízení při tomografických měření.

• Modulární jednotka pro řízení experimentálních zařízení (vlastní konstrukce)

Jednotka pro řízení experimentálních zařízení umožňující současně přesně a spolehlivě řídit až 5 pohyblivých os. Součástí jednotky jsou i vstupy pro měření fyzikálních veličin (síla, teplota, průtok kapaliny, atd.). Jednotka byla navržena jako mobilní, umožňující jednoduchý převoz a řízení/měření i mimo prostory laboratoře. Jednotka je kompatibilní se všemi zařízeními vlastní konstrukce.

• Software pro řízení experimentálních zařízení - RAPO (vlastní vývoj)

Software pro řízení experimentálních zařízení vyvíjených v rámci Oddělení biomechaniky založený na komunitním projektu LinuxCNC. Software tvoří nástavbu nad real-time linuxovým jádrem a LinuxCNC prostředím a je přizpůsoben specifickým potřebám pro řízení vyvinutých experimentálních zatěžovacích zařízení. Jádro a rozšiřující funkční komponenty jsou implementovány v jazyce Python, pro grafické uživatelské prostředí je použita knihovna Qt5. Z hlediska řízení experimentálních zařízení umožňuje polohování os na danou pozici, řízení silou nebo posunutím, cyklování, vyčítání fyzikálních veličin a jejich vykreslení v realném čase, záznam měřených signálů, atd. Nedílnou součástí jsou i bezpečnostní funkce (kontrola přetížení siloměru, programové koncové spínače, atd.). Konfigurace funkcí a přizpůsobení rozhraní jednotlivým zatěžovacím strojům je pohodlně řešeno pomocí konfiguračního souboru.

• Tříosý laboratorní stolek (vlastní konstrukce)

Přesný motorizovaný tříosý stolek složený z lineárních modulů pro polohování především optických soustav

• Zatěžovací zařízení pro creepové testy (vlastní konstrukce)

Zařízení využívající pákový mechanismus pro dlouhodobé tahové namáhání vzorků při zvýšené teplotě. V průběhu experimentu je zaznamenávána síla a protažení vzorku, zařízení umožňuje optické měření deformací.

• CCD kamera s bi-telecentrickým zoom objektivem
  

Dvojice monochromatických CCD kamer s GigE rozhraním s C-mount závitem pro připojení objektivu; bi-telecentrický objektiv s možností změny zvětšení ve 4 úrovních.

• Zatěžovací stolice Instron 4301
  

Zatěžovací stolice pro jednoosé tlakové/tahové testy osazená siloměrem 1 kN nebo 5 kN. Volitelně lze v zařízení použít teplotní komorou pro provádění testů při zvýšené teplotě.

• Antivibrační stůl
  
• LED zdroj studeného světla pro optická měření

Vyvíjené vybavení

• Zařízení pro optickou a mechanickou analýzu pomocí odbrušování (vlastní konstrukce)

Zařízení pro optickou a mechanickou analýzu vzorků pomocí postupného odbrušování a měření tvrdosti mikroindentací. Zařízení integruje funkce přesného broušení, mikroindentace a optické inspekce a analýzy povrchu vzorku bez jeho vyjmutí ze zařízení a ztráty referenční pozice. Díky tomu bude možné stanovit distribuci materiálové tvrdosti v celém objemu vzorku s vertikálním rozlišením přibližně 10 um.