(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210997167.4 (22)申请日 2022.08.19 (71)申请人 兰州理工大 学 地址 730050 甘肃省兰州市七里河区兰工 坪路287号 (72)发明人 强彦　王朝阳　魏列江　张民祖　 单乐　 (74)专利代理 机构 扬州市苏为知识产权代理事 务所(普通 合伙) 32283 专利代理师 周全 (51)Int.Cl. C12M 1/36(2006.01) C12M 1/04(2006.01) C12M 1/34(2006.01) C12M 1/00(2006.01) (54)发明名称 一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟 系统及其应用 (57)摘要 一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟 系统及其应用。 涉及微重力环境模拟技术领域。 包括箱体1、 控制系统2和气 源3， 还包括球碗支座 5、 数字阀矩阵模块4和球形皿6， 所述球碗支座5 设有用于容置所述球形皿6的球窝， 在所述球窝 的表面设有节流孔51； 所述气源3经由所述数字 阀矩阵模块4， 再通过气动管路52连通所述节流 孔51； 所述节流孔51喷出的气流吹顶所述球形皿 6使得所述球形皿6悬浮在所述球碗支座5的球窝 内做随机旋转运动。 本发明从根源 上杜绝机械传 动结构产生对生物样本培养及运动轨迹的冗余 影响。 权利要求书1页 说明书4页 附图7页 CN 115232734 A 2022.10.25 CN 115232734 A 1.一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统， 包括箱体 （1） 、 控制系 统 （2） 和气源 （3） ， 其特征在于， 还包括球碗支座 （5） 、 数字阀矩阵模块 （4） 和球形皿 （6） ， 所述球碗支座 （5） 设有用于容置所述球形皿 （6） 的球窝， 在所述球窝的表面设有节流孔 （51） ； 所述气源 （3） 经 由所述数字阀矩阵模块 （4） ， 再通过气动管路 （52） 连通所述节 流孔 （51） ； 所述节 流孔 （51） 喷 出的气流吹顶所述球形皿 （6） 使 得所述球形皿 （6） 悬浮在所述球碗支 座 （5） 的球窝内做随机 旋转运动。 2.根据权利要求1所述的一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统， 其特征在于， 所述球窝表面的节流 孔 （51） 包括主孔 （51 1） 、 辅孔 （512） 和调速孔 （513） ； 所述主孔 （511） 设1~5个均匀布设在所述球窝的底部中间位置， 用于使所述球形皿 （6） 相对于所述球碗支座 （5） 悬浮； 所述辅孔 （512） 设若干组、 交叉布设在 所述主孔 （511） 周围， 用于在 所述球形皿 （6） 的球 面形成湍流、 促使所述球形皿 （6） 做随机转动； 所述调速孔 （513） 设3 ‑4组、 均匀布设在所述球窝的中上部位， 用于提供随机旋转方向 的气动流 量， 调节转速 。 3.根据权利要求2所述的一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统， 其特征在于， 所述数字阀矩阵模块 （4） 一一对应所述主孔 （511） 、 辅孔 （512） 和调速孔 （513） 分别设有数字 阀， 所述数字阀连接所述控制系统。 4.根据权利要求3所述的一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统， 其特征在于， 气源 （3） 包括气压源 （31） 、 气泵 （32） 和溢流阀 （3 3） ， 用于向各 所述数字阀供气。 5.根据权利要求1所述的一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统， 其特征在于， 所述球形皿 （6） 由上半球壳体 （61） 和下半球壳体 （62） 可拆卸旋合而成。 6.根据权利要求1所述的一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统， 其特征在于， 所述球形皿 （6） 包括本体和盖体 （63） ， 所述盖体 （63） 呈球冠状， 在所述本体上开设有与所述 盖体 （63） 形状适配的孔洞， 所述盖体 （6 3） 通过密封 螺纹连接结构连接所述本体上的孔洞。 7.根据权利要求1所述的一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统， 其特征在于， 在所述球碗支座 （5） 的口沿均匀布设有测距装置 （7） ， 用于采集所述球形皿 （6） 的实时位置 信息， 所述测距装置 （7） 连接所述控制系统 （2） 。 8.根据权利要求1所述的一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统， 其特征在于， 在所述球碗支座 （5） 的 口沿均匀布设有限位保护装置 （8） 。 9.如权利要求1所述一种气动悬浮式三维微重力生物效应模拟系统在生物样本培养中 的应用， 其特征在于， 以小于等于MRT的时间为运动周期， 每个运动周期内所述生物样本所 发生的随机运动轨迹， 以生物样本自身为坐标系， 则其每个运动周期内所受重力矢量和为 零。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115232734 A 2一种气动悬浮式三维微 重力生物效应模拟 系统及其应用 技术领域 [0001]本发明涉及 微重力环境模拟技术领域， 尤其涉及 一种非接触式气动悬浮式三维微 重力生物效应模拟系统及其应用。 背景技术 [0002]微重力生物效应模拟装置是一种在地面用于模拟生物样本在微重力环境下的响 应的生物试验设备， 但不仅局限于空间生命科学领域的微重力生物效应模拟研究， 在其它 细胞培养试验方面也具有广泛的应用。 目前， 常见 的结构多为绕单旋转轴或双旋转轴旋转 的回转生物反应 器， 其中属于双轴回转器结构的随机 定位仪的应用最广。 [0003]如“CN112675929A， 名称： 一种为生物提供模拟 微重力效应的一体机及方法 ”， 采用 机械驱动来将培养瓶固定在三维旋转器的夹具外框架内， 并通过相对设置的胶垫与拧紧螺 柄将培养瓶锁紧； 将装载有培养瓶的三 维旋转器通过旋转底座磁性固定在培养箱的箱体内 并接通电源， 然后通过显控屏设置第一驱动电机和第二驱动电机的转速来模拟微重力环 境。 [0004]但是对于随机定位仪而言， 其 “随机”定位运动并不是真正的 “随机”， 本质上是基 于计算机随机数表而通过微机控制 两旋转轴的电机协同工作实现的一种合成运动； 此外， 对于具有机械传动结构的回转器而言， 无论采用何种运动规律， 其培养皿内的生物样本在 装置运行过程中都会不可避免的受到机械结构运转时产生的振动和应力影响， 从而干扰培 养皿内的流体及生物样本的运动特性， 并且对于微重力生物效应模拟试验中的生物样本的 培养生长也会产生 额外影响。 发明内容 [0005]本发明针对以上技术问题， 提供了一种摒弃机械驱动的理念， 而是采用非接触驱 动形式， 利用湍流运动的随机性， 进而实现悬浮旋转 随机性运动的气动悬浮式三维微重力 生物效应模拟系统及其应用。 [0006]本发明的技术方案是： 包括箱体1、 控制系统2和气源3， 还包括球碗支座5、 数字阀 矩阵模块4和 球形皿6， 所述球碗支座5设有用于容置所述球形皿6的球窝， 在所述球窝的表 面设有节流孔51； 所述气源3经由所述数字阀矩阵模块4， 再通过气动管路52连通所述节流 孔51； 所述节流孔51喷出的气流吹顶所述球形皿6使得所述球形皿6悬浮在所述球碗支座5 的球窝内做随机 旋转运动。 [0007]所述球窝表面的节流 孔51包括主孔51 1、 辅孔512和调速孔513； 所述主孔511设1~5个均匀布设在所述球窝 的底部中间位置， 用于使所述球形皿6 相对于所述球碗支座5悬浮； 所述辅孔5 12设若干组、 交叉布设在所述主孔5 11周围， 用于在所述球形皿6的球面 形成湍流、 促使所述球形皿6做随机转动； 所述调速孔513设3 ‑4组、 均匀布设在所述球窝 的中上部位， 用于提供随机旋转方说　明　书 1/4 页 3 CN 115232734 A 3