非粘性超软声带模型的制造工艺

摘要

本研究通过引入一种特定的声带层制作方法，展示了非粘性且超软声带模型的制造过程，详细描述了制造步骤，并对模型的性能进行了表征。

摘要

本研究旨在开发超软且无黏性的声带模型，用于语音研究。传统的硅胶基声带模型制造工艺所得到的模型存在不良特性，例如表面黏性以及可重复性差等问题。这些声带模型容易快速老化，导致不同测量之间的可比性较差。在本研究中，我们提出对制造工艺进行改进，通过改变硅胶材料的层叠顺序，从而制备出无黏性且高度一致的声带模型。我们还将使用该方法制备的模型与因表面黏性而性能受影响的传统制造声带模型进行了比较。本文详细描述了制造过程，并对模型的特性进行了表征，以探讨其潜在应用价值。研究结果证明了改进后的制备方法的有效性，凸显了我们所制无黏性声带模型的优越性能。 该研究成果有助于推动更真实、更可靠的声带模型在科研与临床应用中的发展。

引言

声带模型用于模拟和研究人类在正常和病理条件下的发声过程^1,2。构建声带模型面临的主要挑战之一是实现与人类组织相近的真实柔软度和柔韧性。为达到这些特性，通常使用硅橡胶材料，并通过大量掺入硅油以获得相应的弹性模量^3,4。构建逼真声带模型的另一个关键因素是分层结构，因为声带由多种不同柔软度的层次组成，这些层次决定了流致振动的模式以及可发生振动的频率。

在本研究中，我们构建了一个典型的声带模型。该模型采用了Scherer⁵提供的常用几何结构，根据Zhang⁶的研究，该结构代表了男性声带的典型尺寸，长度为17 mm，包含三层结构：一层为声带肌（即体层），一层为整个黏膜层（即盖层），以及一层上皮层。该结构如图1中的冠状截面图所示。

图1：喉部模块的冠状截面图。 喉部模块的冠状截面图，显示声带最宽处的宽度（8.5 mm）。每条声带由体层、表层和上皮层组成。本图改编自¹³。经美国声学学会许可，转载自 Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. 《气管壁波浪形结构对硅胶声带振荡起始压力的影响》。J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021)。 请点击此处查看此图的放大版本。

其他研究采用仅含单层的结构⁷、不含上皮层的双层结构²，或使用多层结构模拟黏膜³。通常，这些层从内向外浇铸，即从最深层开始。最后，在整个结构表面浇铸厚度仅为 30 µm 的上皮层，以形成坚固的表层覆盖⁸。

模型中的覆盖层是最柔软的部分，其杨氏模量约为1.1 kPa⁹对于体层，使用横向方向的近似杨氏模量 体外 测量¹⁰ 是 2 kPa。 体内由于存在纵向纤维以及肌肉可能处于紧张状态，环甲肌的杨氏模量可能更高。为了实现这种极低的杨氏模量，有必要在硅橡胶混合物中添加大量硅油（约72%）。然而，制造商强烈建议硅油添加比例不得超过5%。通常情况下，在弹性体中添加硅油的目的是延长流动时间和滴落时间，并减少固化后硅橡胶聚合物的收缩。它有助于硅橡胶更均匀地固化，从而降低材料内部的应力。其主要作用是优化固化材料的可模塑性和物理性能，而增加柔软性虽是其附带效果，但并非主要目的。这是因为硅油具有化学惰性，无法自行聚合，也不会整合到硅橡胶聚合物的网络结构中。¹¹相反，它会以液相形式残留在聚合物基质中，导致聚合物结构在较高含量下被削弱，并可能从固化材料中析出并附着于表面。因此，可能导致其他不良特性，如固化异常、硫化不均、化学收缩和脆性等。针对含有高含量硅油的声带模型，研究人员考察了其老化性能和可重复性，发现不同模型之间的性能差异较大，且其性能随时间发生变化。¹¹.

采用传统方法制备声带模型时^7,12，上皮层的黏性可能成为一个问题，因为它会影响振动的均匀性，并导致上皮层破裂。尽管用于制作上皮层的硅胶未经稀释，但可以推测，从邻近黏膜层渗出的油对硅胶的作用类似于将其稀释。为解决黏性问题，已有研究在黏膜层与上皮层之间添加滑石粉或碳粉等粉末作为中间层¹²。该方法可能有效的原因在于，粉末部分吸收了渗出的油，从而降低了上皮表面的黏性。

在本出版物中，我们证明通过略微修改声带制造工艺，可以避免粘连问题。通过改变分层顺序，首先使用未稀释的上皮层硅胶（即所谓的闭合型硅胶），即可制备出无粘性的超软声带模型。这一改变涉及一些不常见的模具类型和方法，以视频形式展示和说明最为合适。在本文中，我们详细描述了制造工艺，并演示了如何在实际应用中表征声带模型的性能。

方案

1. 声带模型的设计与部件的3D打印

1. 使用多种软质硅胶材料，创建具有常见M5几何结构的硅胶声带的多层结构模型。利用计算机辅助设计（CAD）软件设计各个部件。具体细节请参见补充代码文件1、补充代码文件2、补充代码文件3、补充代码文件4、补充代码文件5、补充代码文件6、补充代码文件7、补充代码文件8。这些文件根据其在模型中的功能命名，是后续步骤的基础。
2. 整理并归类第2步中每个步骤所需的文件。参见补充图1中列出的所需部件及其数量。补充图2展示了模具组装的示意图。
3. 将STL文件导入3D打印程序，生成3D打印机可读的G代码文件。
4. 准备3D打印所需材料（见材料表）。
   1. 对于补充代码文件2和补充代码文件5，应选用层纹较不明显的材料，例如聚乳酸（PLA+）或聚碳酸酯（PC）。
   2. 对于补充代码文件1，由于其易受弯曲应力影响，应使用较硬的材料，如坚韧型聚乳酸（Tough PLA）或乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）。其余部件对打印材料的选择无其他限制。
5. 根据所选的3D打印机，调整3D打印软件的参数设置。
   1. 对于补充代码文件2和补充代码文件5，设置最大层高为0.1 mm。
   2. 对于补充代码文件1，将填充率设为100%，打印图案设为锯齿形（ZigZag），以提高结构稳定性。同时，将构建平台粘附类型设为“裙边”（Skirt），而非“边框”（Brim），因为部件的几何形状会使去除边框变得极为困难。
   3. 对于其他部件，使用默认设置，层高设为0.2 mm。
6. 在3D打印机上打印上述部件。清理部件，去除多余材料（如边框或打印缺陷）。使用砂纸打磨内部接触面（建议使用P1000或更细的砂纸）。

2. 声带模型的制备

1. 准备以下部件和材料以制作声带体层：声带正模（2个）、vocalis_mold-cap、vocalis_mold-main-part、vocalis_mold-hull、主硅胶、脱模剂和稀释剂（详见材料表）。
   1. 将脱模剂均匀涂抹在所有模具部件的内表面。
   2. 将模具的主体部分与盖帽组装在正模上，并将整个模具组件放入指定的容器中。如有必要，调整两个模具部件的对齐位置。确保正模上用于浇注硅胶的孔口朝上，且模具在平坦表面上放置稳固。
   3. 按1:1:3的比例将主硅胶与三份稀释剂混合，首先将组分A与稀释剂混合，随后加入组分B，充分搅拌均匀。总共6 g的硅胶混合物足以用于两个声带半体的体层浇注。
   4. 将硅胶混合物置于真空腔中，在至少-1 bar的负压下进行抽真空处理，以防止固化后的硅胶体内产生气泡。
   5. 小心地将抽过真空的硅胶混合物倒入模具型腔，直至填满。同时填充模具容器周围的区域，以防止极稀的硅胶混合物流过模具接缝处渗漏。在滴落时间内检查硅胶液面，必要时补充添加。该混合物的滴落时间为1–2小时。
   6. 在室温下固化约1天（至少8小时）后，将模具连同正模一起从容器中取出。在打开模具前，先清除模具与容器之间的多余硅胶。
   7. 打开模具时，首先从正模后部开始小心取下盖板，然后移除模具主体部分。使用手术刀或斜口钳小心去除任何多余的硅胶。
2. 准备musosa_mold-back、musosa_mold-main-part和musosa_mold-hull部件，以及用于制作上皮层的次级硅胶和脱模剂（详见材料表）。
   注：步骤2.1和2.2（体层与上皮层）可同时进行。
   1. 将两个模具部件组装后放入外壳中。在模具内表面涂抹适量脱模剂，确保按照所用脱模剂的使用说明均匀涂覆内壁。短暂晾干后再进行后续操作。
   2. 按1:1:0的比例配制一批次级硅胶，不使用稀释剂。若在混合过程中引入了气泡，则参照步骤2.1.4进行脱气处理。
      注：请注意该混合物的滴落时间较短，约为15分钟。
   3. 将部分混合物倒入模具中，并轻轻旋转模具（保持模具在外壳内），使所有内表面均被硅胶均匀覆盖。
   4. 将模具翻转，让多余的硅胶流出。将模具固定在此位置，置于网筛、格栅上或倾斜放置，以便进一步排出硅胶。
   5. 在固化过程中定期抚平硅胶表面，防止形成悬垂结构，特别是在未来将设置气道的区域。
      注：这些悬垂结构也可在后期用镊子小心去除。
3. 为制备黏膜中间层做准备：使用步骤2.1中已带有声带体层硅胶的正模、步骤2.2中已制备好上皮层的模具，以及材料表中列出的硅胶和稀释剂。
   1. 按1:1:5的比例将主硅胶与五份稀释剂混合，首先将组分A与稀释剂混合，随后加入组分B，充分搅拌均匀。共需约4 g硅胶混合物即可满足需求。
   2. 参照步骤2.1.4的方法，在真空腔中对硅胶混合物进行抽真空处理。
   3. 将部分硅胶混合物注入已备有上皮层硅胶的黏膜模具中。倾斜模具，使上皮层硅胶的所有内表面均被一层薄油覆盖，以利于后续插入正模。
      注：可选步骤：由于稀释剂比例较高，该混合物具有数小时的较长滴落时间，在此期间可能因挥发而收缩。因此，建议等待约2–3小时后再进行下一步操作。
   4. 小心地将带有声带体的正模插入模具中。若正模在硅胶中上浮，可用夹具等工具将其固定。根据先前加入的硅胶量，部分材料可能从填充口溢出。
   5. 以与浇注声带体层相同的方式填充模具，并在材料下沉时及时补充。
   6. 滴落时间结束后，继续静置24小时，确保硅胶完全固化。
   7. 24小时后，将成品从模具中取出。首先将模具从外壳中取出，然后从后部开始打开模具，并移除模具主体部分。
   8. 小心去除多余硅胶，清洗表面并让样品自然干燥。
4. 将两个声带半体安装至补充编码文件8中指定的测量与装配模块上的对应位置。连接设计适用于两个M3螺钉和M3方螺母（DIN 562），但非强制要求。

结果

制造的声带模型被集成到位于声带位置的测量装置中，如补充图3所示。该装置在先前的出版物中已有详细描述¹³，包含一个多级可控气流源，用于激励声带模型产生振荡，以及一组测量仪器，用于记录声压、特定位置的静压和体积速度等数据。在测量过程中，气流逐渐增加，直至声带模型开始振荡。随后，将气压在起振压力基础上再提高200 Pa，以实现稳定而强烈的振荡。此外，增加了一台高速摄像机并置于声道模型上方，以最高每秒2304帧的帧率捕捉声带振荡的运动过程。

集成在肺部内部的光源通过声门下通道发出光线，使声门呈现白色。图2展示了两组振荡图像序列，每组包含六个帧，说明了一个典型的闭合-开启-闭合周期。上排图像（图2A）显示了采用本文所述方法制造的声带的振荡过程，而下排图像（图2B）则展示了一个传统声带模型的极端示例，该模型是在前期工作中创建的¹³，由于其表面具有黏性，无法产生稳定的振荡。对于后者，表面黏性导致声门首先在前部和后部打开，中部区域随后才打开。由于黏附作用，该模型表面在特定位置已出现轻微损伤。

图 2：高速相机捕获的单帧图像序列。 高速相机捕获的单帧图像序列，展示声带振动的闭合-开放-闭合周期。（A）采用本文所述方法制备的声带。（B）具有黏性表面的传统声带模型的振动情况。请点击此处查看该图的放大版本。

图3 和 图4 分别展示了所提出模型与传统（黏性）模型的声门面积随时间变化的函数。面积波形（每幅图的左侧部分）是利用 GlottalImageExplorer 软件¹⁴ 从可用的图像序列中计算得到的。图的右侧部分展示了这些时间函数的幅值谱，用以反映其周期性程度。基频是通过 Praat 软件¹⁵ 从时间函数中提取的。从 图3 可以明显看出，所提出的声带模型在选定时间段内表现出稳定的振荡，从而能够准确计算基频。相比之下，图4 显示出非典型且混乱的声门面积函数，其最小值和最大值不一致，并伴有多种伪迹。在此情况下，基频的提取变得困难甚至无法实现。

图3：采用所述方法制备的声带模型的面积波形图。 通过高速摄像图像数据获得的面积波形图，使用（A）GlottalImageExplorer 软件分析结果，以及（B）采用所述方法制备的声带模型对应的幅值频谱图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：具有黏性表面的声带模型的面积波形。 通过高速摄像图像数据得到的面积波形表示，使用（A）GlottalImageExplorer 软件获得，以及（B）采用传统具有黏性表面的声带模型得到的幅度谱。 请点击此处查看该图的放大版本。

补充图1：制造声带半侧所需关键组件列表。 制造声带半侧所需的关键组件列表。1 — 用于单侧声带半侧的支撑结构，2a-c — 用于制作主体层的模具组件，3a-c — 用于制作表层的模具组件，4 — 用于固定的支撑结构。请点击此处下载该文件。

补充图2：模具组件示意图。 模具组件的示意图。左侧——用于制作主体层的模具，右侧——用于制作盖层的模具。标签对应于补充图1中的零件列表。请点击此处下载该文件。

补充图3：测量系统的完整装置示意图。 测量系统的完整装置。该图已根据¹³进行了修改。经美国声学学会许可，转载自 Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. 《波浪形气管壁对硅胶声带振荡起始压力的影响》。J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021)。 请点击此处下载该文件。

补充代码文件1：单侧声带的一半支撑结构。 该文件用于生成声带正模。 请点击此处下载该文件。

补充编码文件 2：用于制作声带层主体部分的模具组件 1。 该文件用于生成 vocalis_mold-main-part。请点击此处下载该文件。

补充代码文件 3：用于制作主体层的模具组件 2。 该文件用于生成 vocalis_mold-cap。请点击此处下载该文件。

补充代码文件 4：用于制作防止硅胶泄漏的体层模具外壳。 该文件用于生成 vocalis_mold-hull。 请点击此处下载该文件。

补充代码文件 5：用于制作覆盖层的模具组件 1。 该文件用于生成 mucosa_mold-main-part。 请点击此处下载该文件。

补充代码文件 6：用于制作覆盖层的模具组件 2。 该文件用于生成 mucosa_mold-back。 请点击此处下载该文件。

补充代码文件 7：用于制作覆盖层以防止硅胶泄漏的模具外壳。该文件用于生成 mucosa_mold-hull。请点击此处下载该文件。

补充代码文件 8：用于连接声带半侧的支撑结构。 该文件用于制作测压孔适配器，包含用于连接声带半侧的支撑结构及测压孔。请点击此处下载该文件。

讨论

本文所述的制造工艺包含若干关键步骤，这些步骤对其成功具有重大影响。首先需要指出的是，该制造工艺并未解决声带材料中的油饱和问题，而是规避了某些负面副作用。排气现象及其相关的收缩和表面波纹仍然存在，尽管程度有所减轻。解决这些问题的方法可能包括使用超软硅胶或其他替代材料，这些材料需兼具真实声带的弹性模量与稳定耐用的聚合物结构。然而，此类材料的缺失凸显了在全面解决这些问题方面仍存在的持续局限性。

与由两个半部分组成的声带模型的传统制造方法相比，该制造工艺略为复杂，因为它涉及更多组件，且通常采用的由内而外的组装方式在此不适用。其固有优势包括集成的溢流保护功能，有助于使用高度稀释的硅胶进行操作，以及能够在固化过程中更好地观察和控制填充液位及潜在气泡的形成。当希望在使用相同硅胶混合物生产的小批量模型中尽量减少因制造过程引起的性能差异时，这一点尤为有益。此外，该设计还能降低废品率。

与传统的声带建模方法相比，本研究所提出的技术具有明显优势。通过在声带振动过程中对声门区域进行录像，结果表明，声带表面的黏滞性可被有效降低。因此，能够产生稳定的气流诱导振动，并直接从图像中获得清晰、无伪影的波形数据，而无需在测量前使用滑石粉或冲洗等辅助手段。尽管本文所展示的传统模型（作为参照）属于极端情况，但黏滞性问题仍然会影响测量结果，并对脆弱的薄层上皮组织构成风险。本研究所提出的工程学解决方案可规避这一问题，有助于获得更可靠且可重复的实验结果。

展望未来，这种改进的制造工艺在多种应用中具有广阔前景。该技术适用于制造类人机器人或具有类似人类声道的发声装置¹⁶，为人工智能和机器人学的发展开辟了新途径。此外，其在语音生成与发声机制基础研究中的应用^6,17，也表明该技术有望为更广泛的科学界作出贡献。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 打印机	ULTIMAKER		S5型
3D打印软件	ULTIMAKER CURA		版本 5.2.2
CAD软件	Autodesk Inventor		版本 2023
高速相机	XIMEA GmbH		MQ013CG-ON
PLA+ 3D 打印材料	eSun	无	白色
初级硅胶	KauPo Plankenhorn	09301-005-000041	EcoFlex 00-30
释放剂	KauPo Plankenhorn	09291-006-000001	UTS 通用型
继发性硅胶	KauPo Plankenhorn	09301-005-000181	DragonSkin NV10
硅油稀释剂	KauPo Plankenhorn	09301-010-000002
高强度 PLA 3D 打印材料	BASF		黑色