비접착식 Super-Soft 보컬 폴드 모델의 제조 공정

성대 모델은 정상 및 병리학적 조건에서 인간의 목소리 생성을 시뮬레이션하고 조사하는 데 사용됩니다 ^1,2. 성대 모델을 만들 때 가장 큰 과제 중 하나는 인간과 거의 유사한 사실적인 부드러움과 유연성을 얻는 것입니다. 이러한 특성을 달성하기 위해 실리콘 엘라스토머가 자주 사용되며, 이는 다량의 실리콘 오일로 희석되어 해당 탄성 계수 ^3,4를 달성합니다. 사실적인 성대 모델을 만드는 데 있어 또 다른 중요한 요소는 레이어링인데, 성대는 다양한 부드러움의 여러 레이어로 구성되어 흐름으로 인한 진동의 패턴과 진동이 가능한 주파수를 결정하기 때문입니다.

이 연구에서는 전형적인 성대 모델을 만들었습니다. 우리는 Scherer⁵에서 제공한 공통 기하학을 사용했는데, 이는 Zhang⁶ 에 따라 길이가 17mm인 남성 성대의 일반적인 치수를 나타내며 성대 근육(체층)을 위한 한 층, 전체 점막층(덮개층)을 위한 층, 상피를 위한 다른 층으로 구성된 세 개의 층으로 구성되어 있습니다. 이 구조는 그림 1의 coronal 단면도에서 볼 수 있습니다.

그림 1: 후두 모듈의 관상 단면. 성대의 가장 넓은 너비(8.5mm)를 보여주는 후두 모듈의 관상 단면. 각 성대는 체층, 덮개층 및 상피층으로 구성됩니다. 이 수치는¹³에서 수정되었습니다. Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. 실리콘 성대의 진동 개시 압력에 대한 물결 모양의 기관 벽의 효과. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) 미국 음향 학회의 허가를 받았습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

다른 간행물에서는 부분적으로^1층7, 상피층² 이 없는 2층, 또는 다층³으로 점막을 모델링한다. 일반적으로 레이어는 안쪽에서 바깥쪽으로, 즉 가장 깊은 레이어부터 캐스팅됩니다. 두께 30μm의 매우 얇은 상피를 몸 전체에 주조하여 튼튼한 피부⁸로 감싸고 있다.

모델의 피복 레이어는 약 1.1kPa⁹의 영률로 가장 부드러운 부분입니다. 체체층의 경우, in vitro 측정(¹⁰ )을 사용한 횡방향 방향의 근사 영률(Young’s modulus)은 2kPa이다. 생체 내에서, 갑상선 근육의 영률(Young’s modulus)은 근육의 긴장 가능성뿐만 아니라 세로 방향의 섬유의 존재로 인해 더 높을 수 있습니다. 이 극도로 낮은 영률을 달성하려면 실리콘 혼합물(약 72%)에 다량의 실리콘 오일을 첨가해야 합니다. 그러나 제조업체는 5% 이상의 오일 비율을 사용하지 말 것을 강력히 권장합니다. 일반적으로 엘라스토머에 실리콘 오일을 첨가하는 것은 경화된 실리콘 폴리머의 수축을 감소시킬 뿐만 아니라 흐름 및 드립 시간을 증가시키기 위한 것입니다. 실리콘이 보다 균일하게 경화되도록 도와 재료의 응력을 줄입니다. 그 목적은 경화된 재료의 부드러움을 증가시키는 것이 아니라 성형성과 특성을 최적화하는 것이지만 이것도 결과입니다. 이는 실리콘 오일이 화학적으로 불활성이기 때문이며, 이는 스스로 중합할 수 없고 실리콘 폴리머(¹¹)의 네트워크에 통합되지 않는다는 것을 의미한다. 대신, 폴리머 매트릭스에서 액상으로 남아 더 높은 수준에서 폴리머 구조를 약화시키고 잠재적으로 경화된 재료에서 용해되어 표면에 부착되도록 합니다. 결과적으로, 경화 장애, 고르지 않은 가황, 화학적 수축 및 취성과 같은 다른 부정적인 특성이 가능합니다. 실리콘 오일 함량이 높은 성대 모델을 노화 및 재현성과 관련하여 조사한 결과, 모델마다 특성의 변동성이 높고 시간이 지남에 따라 특성의 변화가 있는 것으로 나타났다¹¹.

종래의 방식^7,12로 성대 모델을 제작할 때, 상피층의 끈적임은 진동의 균질성에 영향을 미치고 상피의 파열로 이어질 수 있기 때문에 문제가 될 수 있다. 상피를 만드는 데 사용되는 실리콘은 희석되지 않았지만 주변 점막층에서 누출되는 오일은 희석된 것처럼 실리콘에 유사한 영향을 미친다고 가정할 수 있습니다. 끈적임의 문제는 점막과 상피층 사이의 중간층으로서 활석 또는 탄소 분말과 같은 다양한 분말을 첨가함으로써 해결되었다(¹²). 이 접근법은 오일이 분말에 부분적으로 흡수되어 결과적으로 상피 표면의 끈적임을 줄일 수 있었기 때문에 성공적이었을 수 있습니다.

이 간행물에서 우리는 성대 제조 과정을 약간 수정함으로써 끈적임 문제를 피할 수 있음을 보여줍니다. 레이어링 순서를 변경하고 희석되지 않은 상피 실리콘(소위 폐쇄형 실리콘)으로 시작하여 끈적임이 없는 매우 부드러운 성대 모델을 제작할 수 있습니다. 이 변화에는 비디오 형태로 가장 잘 표현되고 설명되는 특이한 유형의 금형 및 방법이 포함됩니다. 이 논문에서는 제조 공정을 자세히 설명하고 응용 분야에서 성대 모델의 특성을 특성화할 수 있는 방법을 보여줍니다.