Nghiên cứu sơ bộ cảm hứng sinh học từ cá cho hệ thống phân phối thuốc trong cơ thể bioinspiration from fish for drug delivery system a preliminary study

Trang 1 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU SƠ BỘ: CẢM HỨNG SINH HỌC TỪ CÁ CHO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI THUỐC TRONG CƠ THỂ BIOINSPIRATION

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

SYSTEM A PRELIMINARY STUDY

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỖ THỊ THU HIỀN

SKC008423

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỖ THỊ THU HIỀN

NGHIÊN CỨU SƠ BỘ:

CẢM HỨNG SINH HỌC TỪ CÁ CHO HỆ THỐNG PHÂN PHỐI THUỐC

TRONG CƠ THỂ BIOINSPIRATION FROM FISH FOR DRUG DELIVERY SYSTEM

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Đỗ Thị Thu Hiền Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 17/10/1998 Nơi sinh: Tiền Giang

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: tổ 1, khu phố 1, phường Dương Đông, thành phố Phú Quốc, tỉnh Kiên Giang

Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0387884799 Fax: Email: dothuhien1710@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …./… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2016 đến 02/2020 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Công nghệ kỹ thuật cơ khí

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tidal Turbine for Coastal

Community

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 09/2019 tại trường Atma Jaya Catholic University, Indonesia; 02/2020 tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM

Người hướng dẫn: TS Sheila Tobling, TS Pritadewi Basoeki

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9/2020 đến 10/2023 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngành học: Kỹ thuật cơ khí

Tên luận văn: A preliminary study-Bio inspiration from fish fin for drug delivery system (Nghiên cứu sơ bộ - Cảm hứng sinh học từ cá cho hệ thống phân phối thuốc trong cơ thể)

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 28/10/2023

Người hướng dẫn: TS Prita Dewi Basoeki

Ngày & nơi bảo vệ:

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

2021-2022 Nestle Vietnam Management trainee-Junior

Production Supervisor 2022-nay Marico South East Asia Production Supervisor

LỜI CAM ĐOAN/ THESIS STATEMENT

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

I affirm that this is my original research work

The data and results presented in this thesis are accurate and have not been published in any other work

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023

Đỗ Thị Thu Hiền

LỜI CẢM ƠN/ ACKNOWLEDGEMENT

Đầu tiên, tôi muốn bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến cô Prita dewi Basoeki, người đã hướng dẫn, cung cấp kiến thức, mặc dù ở khoảng cách xa, nhưng cô đã luôn tìm mọi cách để hỗ trợ tôi những lúc cần thiết, cô vẫn luôn động viên tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và làm luận văn

Firstly, I would like to express my profound gratitude to Mrs Prita dewi Basoeki, who has guided and imparted knowledge to me Despite the physical distance, she always found ways to support me when needed, providing encouragement throughout

my research and thesis-writing journey

Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến:

I extend my heartfelt appreciation to the following:

- Ban Giám hiệu trường Đại học sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã tổ chức giảng

dạy, cung cấp kiến thức và cơ sở vật chất

The leadership of Ho Chi Minh City University of Technology and Education for organizing the educational activities, providing knowledge, and the necessary facilities

- Quý thầy cô trong khoa Cơ khí Chế tạo máy đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ

- Tác giả bài báo, nghiên cứu mà tôi đã sử dụng trong suốt quá trình nghiên cứu The authors of the articles and research papers that I referenced during my research

Tôi cũng muốn cám ơn chân thành gia đình, bạn bè và những người đã luôn ở cạnh tôi, động viên tinh thần tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn.Một lần nữa, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả mọi người đã làm cho luận văn này trở thành hiện thực

I also want to sincerely thank my family, friends, and those who stood by me, providing moral support throughout the completion of this thesis Once again, I want

to express my deep appreciation to everyone who has contributed to making this thesis a reality

Trân trọng./Best regards

TÓM TẮT/ABSTRACT

Ngày nay, công nghệ từng bước đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực điều trị y

tế, đặc biệt là công nghệ sinh học Sự đa dạng của các loài sống trên trái đất là nguồn cảm hứng không giới hạn cho các nhà khoa học trong việc phát triển công nghệ, đặc biệt là về vật liệu và robot được lấy cảm hứng từ sinh học Cá có tiềm năng trở thành nguồn cảm hứng phong phú cho thiết kế vật liệu thông minh, robot và hệ thống phân phối thuốc do khả năng linh hoạt của vây cá để tạo lực trong khi di chuyển, khả năng chống xâm nhập, cũng như khả năng biến đổi cơ thể và vây của cá để tạo động lực và khả năng điều khiển Hệ thống phân phối thuốc là một hệ thống điều trị trong cơ thể

có thể tiếp cận trực tiếp vùng bị bệnh cần điều trị Phát triển này dựa trên giả định rằng các loại thuốc được cung cấp sẽ đi thẳng đến điểm cần điều trị bệnh, không lan

ra tất cả các mạch máu trong cơ thể Ngoài ra, nó giữ cho các cơ quan khỏe mạnh khác của cơ thể không bị ảnh hưởng bởi thuốc Hệ thống phân phối thuốc cũng nâng cao hiệu suất của thuốc điều trị tại điểm bệnh Hệ thống này đã được phát triển như một phương án điều trị ung thư thay thế các phương pháp hiện tại Cách cá di chuyển trong nước tương tự như hệ thống phân phối thuốc chảy trong máu Cảm hứng này

sẽ được làm chủ đề nghiên cứu của luận văn thạc sĩ, thông qua quan sát, tính toán và

mô phỏng, với mục tiêu tạo ra một mô hình dựa trên cá cho hệ thống phân phối thuốc Xây dựng một hệ thống phân phối thuốc giống như robot cá sẽ là một thách thức quan trọng cho tương lai gần

Nowadays, technology step by step plays a definitely critical role in medical treatment field, especially bioinspired technology Living things on our earth is very diversity, it is an unlimited inspiration for scientists in developing technology, especially bioinspired material, or bioinspired robots Fish has the potential to be a rich source of inspiration for the design of smart materials, robots, and drug delivery system because of its flexibility fins to generate force during movement, anti- penetration ability, and also the fish’s body and fin deformation to drive propulsion and maneuverability The drug delivery system is a system of treatment in the body

that can go directly to the part of the disease to be treated Development is based on the premise that the drugs given will go straight to the point where the disease is being treated, and do not spread to all blood vessels in the body In addition to keeping other healthy points of the body from being contaminated by the drug The drug delivery system also accelerates the performance of drugs directly at the point

of illness This system was developed as an alternative to cancer treatment known as chemotherapy Fish that move in the water are analogous to drug delivery system that flows in the blood This inspiration will be raised as the research topic of the master thesis, through observing, calculation and simulation, for the aim of creating

a fish-based model for the drug delivery system The construction of robotic fish-like drug delivery system represents a key challenge for the near future

Keywords: Bioinspired Technology; Fish Fin; Drug Delivery System

MỤC LỤC/ TABLE OF CONTENTS

LÝ LỊCH KHOA HỌC x

LỜI CAM ĐOAN/ THESIS STATEMENT xii

LỜI CẢM ƠN/ ACKNOWLEDGEMENT xiii

ABSTRACT xv

MỤC LỤC/ TABLE OF CONTENTS xvii

DANH MỤC HÌNH ẢNH/ LIST OF FIGURES xix

DANH MỤC BẢNG/ LIST OF TABLES xxi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT/ LIST OF ABBREVIATIONS xxii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN/ CHAPTER 1: INTRODUCTION 23

1.1 Vấn đề cần giải quyết/ Research problem 23

1.2 Tính khoa học và tính thực tiễn của đề tài/ Scientific and practical significant 24

1.2.1 Tính khoa học/ Scientific significant 24

1.2.2 Tính thực tiễn/ Realistic significant 24

1.3 Mục tiêu đề tài/ Research objective 25

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu/ Research scope 25

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT/ CHAPTER 2: THEORY 31

2.1 Cơ sinh học cá/ Fish biomechanics 31

2.1.1 Di chuyển của cá/ Fish Movement 33

2.1.2 Động học cá/ Fish kinematics 35

2.2 Hệ thống phân phối thuốc/ Drug delivery system 40

2.3 Kích hoạt/ Actuator 45

2.4 Lý thuyết về hệ số Strouhal và Reynold/ Strouhal and Reynold theory 48

CHAPTER 3: CALCULATION, SIMULATION AND RESULT 50

3.1 Nguyên lý hoạt động và thảo luận về các giải pháp hiện tại/ Operational principle and a review of solutions for specifications 50

3.1.1 Phân tích hệ thống/ Analyze system 52

3.1.2 Thảo luận về các phương án trong hệ thống phân phối thuốc/ A review for specification option 53

3.2 Mô hình hóa kích thước/ Dimension modeling 69

3.2.1 Phần mềm/ Software 69

3.2.2 Hình học/ Geometry 71

3.2.3 Mesh 72

3.2.4 Thiết lập, đặt điều kiện biên và thể hiện kết quả/ Set up boundary condition and result 76

3.2.5 Kết quả/ Result 81

3.2.6 Tổng hợp và phân tích dữ liệu/ Data summary and analysis 83

3.3 Động học/ Kinematic 91

3.4 Thiết kế đập/ Flapping design 93

3.5 Tổng hợp/ Summary 95

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN/ CHAPTER 4: CONCLUSION 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCE 99

DANH MỤC HÌNH ẢNH/ LIST OF FIGURES

Hình 1 1 Tổng quan về một số mô hình vật lý và phản ứng được chọn lọc sử dụng

trong nghiên cứu sinh học lấy cảm hứng từ robot học.[4] 28

Hình 2 1 Các hình thức vận động chính của cá/ Figure 2.1 Fish movement model 34 Hình 2 2 Lực tác động lên cá/ Figure 2.2 Forces acting on fish 35

Hình 2 3 Hệ quy chiếu và các thành phần của hệ thống di chuyển/ Figure 2.3 Frames and elementary of moving system 38

Hình 2 4 Ví dụ về các hệ thống robot mềm nhỏ được kích hoạt bằng nhiều kích thích khác nhau/ Figure 2.4 Examples of small soft robotic systems activated by various stimuli 46

Hình 2 5 Hệ thống phân phối thuốc di chuyển trong mạch máu/ Figure 2.5 The Drug delivery system move throgh the bloodstream 47

Hình 2 6 Mô hình strouhal của cá đang bơi/ Figure 2.6 Strouhal model of swimming fish 49

Hình 3 1 Đầu vào và đầu ra của hệ thống/ Figure 3.1 System inputs and outputs 50

Hình 3 2 Phân tích chức năng hệ thống/ Figure 3.2 Analyze System 52

Hình 3 3 Phần mềm Ansys Fluent/ Figure 3.3 Ansys fluent 70

Hình 3 4 Kích thước của hệ thống mô phỏng/ Figure 3.4 Dimension code of DDS 72

Hình 3 5 Kích thước của môi trường mô phỏng/ Figure 3.5 Dimension of the simulation environment 72

Hình 3 6 Edge sizing mesh của môi trường xung quanh/ Figure 3.6 Edge sizing mesh 74

Hình 3 7/ Figure 3.17 Face meshing 74

Hình 3 8 Edge sizing mesh của hệ thống/ Figure 3.8 Edge sizing mesh of the DDS 75

Hình 3 9 Mô hình mesh/ Figure 3.9 Mesh model 75

Hình 3 10 Các tên ràng buộc được đặt cho hệ thống/ Figure 3.10 Constraint name 76

Hình 3 11 Meshing và Inlet, Outlet/ Figure 3.11 Mesh and Inlet, Outlet 76

Hình 3 12 Tương quan của nhiệt độ cơ thể và độ nhớt/ Figure 3.12 Relationship of body temparature and viscosity 79

Hình 3 13 Thiết lập đánh giá hội tụ/ Figure 3.13 Convergence criteria setup 80

Hình 3 14 Tiêu chí đánh giá hội tụ/ Figure 3.14 Convergence criteria 81

Hình 3 15 / Figure 3.15 Pressure contour 81

Hình 3 16 Velocity contour (a) và vận tốc tại các điểm đầu, giữa, cuối của DDS (b)/ Figure 3.16 The velocity contour (a) and the velocity at the leading, middle, and trailing points of the DDS (b) 82

Hình 3 17 Mô phỏng vận tốc tại mặt cắt theo tọa độ y/ Figure 3.17 Simulating velocity at cross-sections along the y-coordinate 83

Hình 3 18 Hệ số kéo đẩy và áp lực của biến kích thước D1/ Figure 3.18 R and Pressure of variable D1 84

Hình 3 19 Hình học mô phỏng đường kính đầu (a) D1a, (b) D1b, (c) D1c/ 85

Hình 3 20 Hệ số kéo đẩy và áp lực của biến kích thước D2/ Figure 3.20 R and Pressure of variable D2 86

Hình 3 21 Hình học mô phỏng đường kính thân (a) D2a, (b) D2b, (c) D2c/ 86

Hình 3 22 Hệ số kéo đẩy và áp lực của biến kích thước D3/ Figure 3.22 R and Pressure of variable D3 87 Hình 3 23 Hình học mô phỏng đường kính đuôi (a) D3a, (b) D3b, (c) D3c/ Figure 3.23 Geometry for tail simulation 87 Hình 3 24 Hệ số kéo đẩy và áp lực của biến kích thước L1/ Figure 3.24 R and Pressure of variable L1 88 Hình 3 25 Hình học mô phỏng biến L1 (a) L1a, (b) L1b, (c) L1c/ Figure 3.24

Geometry for tail simulation 89 Hình 3 26 Hệ số kéo đẩy và áp lực của biến kích thước L2/ Figure 3.26 R and Pressure of variable L2 89 Hình 3 27 Hình học mô phỏng biến L2 (a) L2a, (b) L2b, (c) L2c/ Figure 3.27

Geometry for tail simulation 90 Hình 3 28 Hệ số kéo đẩy và áp lực của biến kích thước D/ Figure 3.28 R and

Pressure of variable D 90 Hình 3 29 Hình học mô phỏng biến L2 (a) Da, (b) Db, (c) Dc/ Figure 3.29

Geometry for tail simulation 90 Hình 3 30 Biểu đồ so sánh các chế độ đập của đuôi/ Figure 3.29 Comparison chart

of different tail flapping modes 94

DANH MỤC BẢNG/ LIST OF TABLES

Bảng 2 1 Ký hiệu tiêu chuẩn SNAME cho các thiết bị dưới nước/ 36 Bảng 2 2 Một số rào cản cần vượt qua để phát triển thành công hệ thống phân phối

thuốc/ Table 2.2: Some Barriers to Overcome for the Successful Development of Drug Delivery Systems 43

Bảng 3 1 Phương án cho hệ thống phân phối thuốc/ Table 3.1 Solutions for drug delivery system 53

Bảng 3 2 Các điều kiện biên của bài toán/Boundary conditions 77

Bảng 3 3 Kết quả mô phỏng mô hình hóa kích thước bằng phần mềm ANSYS/

Optimization results obtained using ANSYS software 83 Bảng 3 4 Mô phỏng biến D1/ D1 simulation 84 Bảng 3 5 Mô phỏng biến D2/ D2 simulation 85 Bảng 3 6 Mô phỏng biến D3/ D3 simulation 87 Bảng 3 7 Mô phỏng biến L1/ L1 simulation 88 Bảng 3 8 Mô phỏng biến L2/ L2 simulation 89 Bảng 3 9 Mô phỏng biến D/ D simulation 90 Bảng 3 10 Bảng so sánh các chế độ đập của đuôi/ Comparision table of tails

flapping modes 93 Bảng 3 11 Tổng hợp kết quả/ Result Summary 95

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT/ LIST OF ABBREVIATIONS

DDS: drug delivery system

SNAME: Society of Naval Architects and Marine Engineers

IV: intravenous injection

DOF: Degree of freedom

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN/ CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 Vấn đề cần giải quyết/ Research problem

Ung thư là nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên toàn thế giới, chiếm gần 600 nghìn

ca tử vong vào năm 2020 Ung thư phổi, tuyến tiền liệt, đại trực tràng, dạ dày và gan là những loại ung thư phổ biến nhất ở nam giới, trong khi ung thư vú, đại trực tràng, phổi,

cổ tử cung và tuyến giáp là những loại ung thư phổ biến nhất phổ biến nhất ở phụ nữ

Cancer is a leading cause of death worldwide, accounting for nearly 600 thousands deaths in 2020 Lung, prostate, colorectal, stomach and liver cancer are the most common types of cancer in men, while breast, colorectal, lung, cervical and thyroid cancer are the most common among women

Nhiều phương pháp điều trị ung thư đã được phát triển, từ xạ trị, hóa trị đến phẫu thuật Tuy nhiên, những liệu pháp này thường có tác dụng phụ và làm tổn thương các tế bào lân cận Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, những vấn đề này đang dần được thay thế bằng liệu pháp nhắm mục tiêu, điển hình là hệ thống phân phối thuốc.Tuy nhiên, thách thức về cách đưa thuốc đến cơ quan ung thư và cách hệ thống phân phối thuốc di chuyển qua các mạch máu một cách tối ưu, chính xác và tương tác

tốt với cơ thể vẫn còn là một thách thức

Many cancer treatments have been developed, from radiation therapy, chemotherapy to surgery However, these therapies often have side effects and damage nearby cells Today, along with the advancement of science and technology, these problems are gradually being replaced by targeted therapy, typically the drug delivery system However, the challenge of how to deliver the drug to the cancerous organ and how the drug delivery system moves through the blood vessels optimally, accurately, and interacts well with the body remains a challenge

Các sinh vật sống trên trái đất có thể và đã được các nhà khoa học sử dụng làm ví dụ trong việc phát triển công nghệ Cá có tiềm năng trở thành nguồn cảm hứng phong phú cho việc thiết kế vật liệu thông minh, robot và hệ thống phân phối thuốc Cá có thể là ví

dụ cho việc sử dụng cơ thể để tạo ra lực trong quá trình chuyển động và là một đặc điểm trong thiết kế chức năng của cá Ngoài ra, cơ thể và vây của cá cũng bị biến dạng để tạo

lực đẩy và khả năng cơ động

Living things on earth could and have been used as examples by scientists in developing technology Fish has the potential to be a rich source of inspiration for the design of smart materials, robots, and drug delivery system Fish could be example using of body

to generate forces during movement, and a characteristic feature of the fish's functional design The fish’s body and fin also deform to drive propulsion and maneuverability

Cá di chuyển trong nước tương tự như hệ thống phân phối thuốc chảy trong máu Hệ thống phân phối thuốc lấy cảm hứng từ robot cá được kỳ vọng sẽ tăng cường và tối ưu hóa hệ thống phân phối thuốc hiện tại

Fish movement in the water is analogous to drug delivery system flowing in the blood A robotic fish inspired drug delivery system is expected to enhance and optimize current drug delivery system

1.2 Tính khoa học và tính thực tiễn của đề tài/ Scientific and practical significant

1.2.1 Tính khoa học/ Scientific significant

Tiến hóa qua hàng trăm triệu năm dưới nước, cấu trúc đuôi cá đã được tối ưu hóa để thực hiện các chuyển động trong chất lỏng Nghiên cứu về cấu tạo, chuyển động cơ học, cách tạo lực đẩy, tần số chuyển động qua lại của đuôi cá cho chúng tôi nguồn cảm hứng để tối ưu hóa chuyển động của robot vận chuyển thuốc Việc tối ưu hóa chuyển động của robot vận chuyển thuốc có thể là cách thiết kế khâu để di chuyển, cách thức hoạt động

của hệ thống truyền động, từ đó tạo ra các chuyển động linh hoạt trong môi trường nước Evolution over hundreds of millions of years in the water, the structure of the fish's fin has been optimized to perform movements in the liquid Research on the structure, mechanical movement, how to generate thrust, and the frequency of the back and forth motion of the fishtail gives the inspiration to optimize the movement of the drug delivery robot The motion optimizations of drug delivery robots could be the way the structure

is designed to move, the way the drive systems work, thereby creating flexible movements

in the vessel environment

1.2.2 Tính thực tiễn/ Realistic significant

Lấy cảm hứng từ sự di chuyển linh hoạt của cá để phát triển hệ thống phân phối thuốc, ứng dụng kỹ thuật, sinh học đến y học Hệ thống phân phối thuốc được tạo ra được kỳ

vọng sẽ hỗ trợ các liệu pháp nhắm mục tiêu, giúp tăng hiệu quả điều trị ung thư trên thế giới

Inspired by the flexibility of fish movements to develop drug delivery systems, engineering applications, biology to medicine The created drug delivery system is expected to support targeted therapies, helping to increase the effectiveness of cancer treatment in the world

1.3 Mục tiêu đề tài/ Research objective

Nghiên cứu sơ bộ: đưa ra cơ sở lý thuyết sơ bộ về hệ thống phân phối thuốc lấy cảm hứng từ cá (các chức năng và nguyên lý hoạt động sơ bộ)

Preliminary study: providing a preliminary theoretical basis for drug delivery systems inspired by fish (basic functions and operating principles)

Đề xuất các thiết kế, kích thước, chuyển động đuôi để mô hình hóa thiết kế về mặt kích hoạt và áp lực tác động lên hệ thống bằng tính toán và mô phỏng ở phần mềm ANSYS dựa trên thu thập lý thuyết về hệ thống phân phối thuốc lấy cảm hứng từ sinh học, điều kiện biên của mạch máu

Proposing designs, dimensions, and tail movements to optimize the design in terms of actuation and pressure on the system through calculations and simulations using ANSYS software base on studying the theory of biologically inspired drug delivery systems and cancer treatment, finding boundary conditions in the vessel environment

Đưa ra mô hình động học của hệ thống khi di chuyển trong mạch máu

Presenting a dynamic model of the system when moving within the bloodstream

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu/ Research scope

Đối tượng: hệ thống phân phối thuốc lấy cảm hứng từ chuyển động và cơ cấu của cá

The drug delivery system is inspired by the motion and mechanics of the fish fin

Phạm vi: các yếu tố cần nghiên cứu bao gồm hình dạng, chuyển động, kích thước, cơ cấu chấp hành mềm, tần số vỗ của hệ thống phân phối thuốc mô phỏng cá trong môi trường mạch máu lý tưởng, dòng chảy tầng trong tĩnh mạch

Scope: The factors to be investigated include shape, motion, size, compliant execution structure, and the oscillation frequency of the drug delivery system simulating fish in an ideal blood vessel environment, specifically the laminar flow in the venous system

1.5 Phương pháp tiếp cận/ Methodology

Phương pháp nghiên cứu các tài liệu tìm ra các công trình đã công bố liên quan đến cơ sinh học, hệ thống phân phối thuốc, cơ học cá

Researching papers to find out the published works related to biomechanic, drug delivery system, fish mechanics

Phương pháp nghiên cứu robot mềm, động học của cá, các lý thuyết về chất lỏng

Soft robotics research, fish kinematics, fluid theories

Phương pháp phân tích và so sánh điểm mạnh yếu của các giải pháp đặc tính hiện tại cho hệ thống phân phối thuốc về cách dẫn truyền, cách thức di chuyển, năng lượng sử dụng, động cơ

Review and comparision strengths and weaknesses of current characterization solutions for drug delivery systems in terms of transmission, transport, energy use, and actuator

Phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích mô phỏng để kiểm chứng kết quả nghiên cứu

Using finite element method, quantitative methods in the calculation process, simulation analysis to verify research results

1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước/ Domestical and international research

Trong vài thập kỷ qua, những đột phá đáng kể đã nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về bệnh ung thư, cách chúng phát sinh và phát triển, mở ra nhiều cơ hội cho việc phát hiện

và cải thiện cả chẩn đoán lẫn điều trị Đặc biệt, việc phát triển các hệ thống giao thuốc

an toàn và tiên tiến hơn đã cải thiện đáng kể phương pháp điều trị ung thư Một số hệ thống giao thuốc được lấy cảm hứng từ sinh học đã được nghiên cứu, bao gồm hệ thống giao thuốc được lấy cảm hứng từ vi khuẩn, với hy vọng rằng chúng có thể xâm nhập sâu vào các khu vực u não xa và tạo ra các khu vực tạo năng và sưng Hệ thống giao thuốc được lấy cảm hứng từ virus được sử dụng như một phương tiện giao thuốc có mục tiêu do khả năng chuyển giao gen của chúng vào tế bào chủ nhân để sao chép Các

tế bào máu chủ yếu bao gồm tế bào hồng cầu (RBCs), tế bào bạch cầu (WBCs) và tiểu cầu, mỗi tế bào đều có những ưu điểm riêng biệt Ngoài ra, chúng ta còn có các hệ thống giao thuốc dựa trên tế bào động vật, được lấy cảm hứng từ tế bào và hệ thống giao thuốc dựa trên lipid [1]

In recent decades, significant breakthroughs have advanced our comprehension of cancers, their origins, and development, opening up numerous opportunities for detection and enhancing both diagnosis and treatment Notably, the development of safer and more advanced drug delivery systems has significantly improved cancer therapy Some bioinspired drug delivery systems that have been researched include bacteria-inspired drug delivery systems These systems draw inspiration from the ability to penetrate deep into distant tumor areas and generate hypoxic and necrotic regions Virus-inspired drug delivery systems serve as targeted delivery vehicles due to their capacity to deliver genetic material into host cells for replication Blood cells, comprising red blood cells (RBCs), white blood cells (WBCs), and platelets, each possess unique advantages Additionally, there are mammalian cell-based, cell- inspired, and lipid-based drug delivery systems

Các phương pháp đóng gói truyền thống của các hệ thống giao thuốc (bay hơi/chiết xuất, đông kết, phản ứng đa pha) thường liên quan đến hai hoặc nhiều giai đoạn, có thể hứa hẹn về sự ổn định của thuốc và chắc chắn ngăn chặn sự khuếch tán ra pha lỏng bên ngoài.[2]

Conventional packaging methods of drug delivery systems (evaporation/extraction, coagulation, interphase polymerization) usually involves two or more stages, which can hold promise for drug stability and certainly prevent diffusion to the outer liquid phase

Có nhiều loại hệ thống cho phép lấy cảm hứng từ sinh học robot, và có ích để phân biệt hai loại cơ bản: mô hình vật lý và mô hình phản ứng Mô hình vật lý, từ quan điểm của tôi, là các hệ thống trong đó chuyển động và hình dạng của đầu vào cho hệ thống thử nghiệm được xác định chặt chẽ và các đầu ra như lực, động học (chuyển động của hệ thống) hoặc phản ứng môi trường (dòng chất lỏng) được đo lường Mô hình vật lý cũng

có thể được chế tạo từ vỏ động vật hoặc bao gồm các thành phần cứng của cơ thể động vật trong thiết kế của chúng, điều này có thể giúp đơn giản hóa quá trình xây dựng Ngược lại, trong các hệ thống mô hình phản ứng, các hành vi kết quả hoặc động học của chuyển động không nhất thiết có thể được dự đoán trước vì chuyển động được xác định bởi tương tác với môi trường.[3]

Various types of systems draw inspiration from the biology of robots, and it is useful to differentiate between two fundamental types: physical models and response models

From a perspective, physical models are systems in which the motion and shape of inputs to the experimental system are precisely specified, and the outputs force, kinematics (system motion), or environmental reactions (liquid flow) are measured Physical models can also be constructed using animal shells or incorporate hard anatomical components of animals in their design, which can significantly simplify the construction process In contrast, in reactive model systems, the resulting behaviors or kinematics of movement cannot necessarily be predicted a priori because movement is determined by interaction with the environment

Hình 1 1Tổng quan về một số mô hình vật lý và phản ứng được chọn lọc sử dụng

trong nghiên cứu sinh học lấy cảm hứng từ robot học.[4]

Figure 1.1 Overview of selected physical and reactive models employed in

robotics-inspired biology research

Các thành phần được sử dụng trong nghiên cứu sinh học lấy cảm hứng từ robot có thể được chia thành các hệ thống mô hình vật lý và phản ứng Các mô hình vật lý (bên trái)

có thể là không được kích hoạt (passive) để nghiên cứu dòng chảy hoặc lực, như cách cắt của con rắn ảnh hưởng đến lực nâng và lực kéo trong quá trình lướt Chúng cũng

có thể được kích hoạt (active) với động học đã định như trong các thử nghiệm robofly [5] với cánh cứng Các mô hình phản ứng (bên phải) có động học liên quan đến chuyển động của chúng do phản hồi và/hoặc các thành phần linh hoạt, và có thể phản ứng với môi trường của chúng theo nhiều cách khác nhau, bao gồm tương tác phi tuyến với môi trường (bên trái), các bậc tự do nội (giữa) và động học cảm giác và chuyển động (bên phải) Tất cả các hình ảnh được sao chép với sự cho phép Một mô hình của robot nhỏ hình ảnh lấy cảm hứng từ cá biển là một mô hình cho robot mềm lấy cảm hứng từ con

lươn được chế tạo từ vật liệu silk fibroin Họ tạo ra gel silk bằng cách sử dụng quá trình vượt cắt oxy hóa do enzym [6]

Components used in robotics-inspired biology can be divided into physical and reactive model systems Physical models (left) may be unactuated (passive) to investigate flows

or forces, such as how snake cross-section affects lift and drag during glide They may also be actuated (active) with prescribed kinematics such as in the robofly experiments with rigid wings Reactive models (right) have dynamics associated with their motion due to feedback and/or flexible components, and may react to their environment in various ways, including nonlinear interactions with the environment (left), internal degrees of freedom (middle) and sensorimotor dynamics (right) All images are reproduced with permission Prototype of a fish inspired swimming silk robot presents

a prototype for an eel-inspired soft robot fabricated from silk fibroin materials They fabricated silk hydrogels using an enzymatic-mediated oxidative cross linking process

Mặc dù có nhiều nghiên cứu liên quan đến Hệ thống phân phối thuốc (DDS) trong các thập kỷ qua, nhưng vẫn thiếu nghiên cứu về mặt kỹ thuật, chẳng hạn như tối ưu hóa hình dạng, động học và chuyển động để xây dựng cấu trúc DDS linh hoạt và lấy cảm hứng sinh học Được xuất hiện lần đầu trên trái đất hơn 530 triệu năm trước, cá có sự cảm hứng phong phú để nghiên cứu về động lực học chất lỏng Hệ thống này được phát triển như một phương pháp thay thế cho điều trị ung thư được biết đến hiện tại Cách

cá di chuyển trong nước tương tự như hệ thống giao thuốc chảy trong máu Cảm hứng này sẽ được đề cập trong đề tài nghiên cứu của luận văn thạc sĩ, với mục tiêu tạo ra một

mô hình hệ thống giao thuốc Việc xây dựng một hệ thống giao thuốc hình cá đại diện cho một thách thức chính trong tương lai gần Có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống giao thuốc lấy cảm hứng sinh học và cảm hứng từ cá cho lĩnh vực công nghệ, tuy nhiên, hầu hết chúng đều được nghiên cứu một cách riêng lẻ Bài đánh giá này sẽ kết hợp giữa lĩnh vực sinh học, công nghệ và y học Dựa trên việc nghiên cứu về cấu trúc, kích thước và giao diện y học, trong bài đánh giá này, sẽ được nghiên cứu và khảo sát về cơ học và kích thước, giao diện thân thiện với sức khỏe của con người và chuyển động của hệ thống

Despite numerous studies related to Drug Delivery Systems (DDS) over the past decades, there is still a lack of technical research, such as optimizing shape, kinetics,

and movement, to construct a flexible and bioinspired DDS structure Having first appeared on Earth over 530 million years ago, fish provides abundant inspiration for the study of fluid dynamics This system has been developed as an alternative method for current cancer treatments The way fish move in water is analogous to how drug delivery systems flow in the bloodstream This inspiration will be addressed in the research topic of a master's thesis, with the aim of creating a model for a fish-based drug delivery system Constructing a fish-like robotic drug delivery system represents

a significant challenge in the near future There are many studies related to bio-inspired drug delivery systems and fish-inspired technology, however, most of them have been researched separately This review will combine insights from the fields of biology, technology, and medicine Based on the study of structure, size, and medical interfaces, this review will delve into the mechanics and materials inspired by fish, interfaces friendly to human health, and the movement of the system

1.7 Cấu trúc chính của luận văn/ Thesis structure

Chương 1: Tổng quan

Chapter 1: Introduction

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chapter 2: Theory

Chương 3: Nguyên lý hoạt động & phân tích điểm mạnh yếu của các giải pháp hiện tại

Chapter 3: Operational principles & review advantages and disadvantages of current solution

Chương 4: Mô phỏng và phân tích

Chapter 4: Simulation & Analysis

Chương 5: Kết luận

Chapter 5: Conclusion

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT/ CHAPTER 2: THEORY2.1 Cơ sinh học cá/ Fish biomechanics

Sinh học luôn đóng vai trò bí ẩn của sự hoàn hảo và toàn diện Trong nhiều thập kỷ, con người luôn tìm kiếm nguồn cảm hứng từ sinh học, một trong số đó là cơ sinh học Cơ sinh học là khoa học nghiên cứu về cấu trúc, chức năng và ứng xử cơ học của chuyển động từ cơ học của con người, động vật, thực vật và cơ thể sống…[7]

Biology always plays a mysterious part of being perfect and comprehensive For decades, human always look for inspiration from biology, one of them is biomechanics Biomechanics is the science that studies the structure, function and mechanical behavior

of movement and mechanics of humans, animals, plants and living organisms

Trong suốt vòng đời ở môi trường nước, từ trứng nở thành ấu trùng đến cá con, cá trưởng thành, cá đã truyền cảm hứng rất nhiều cho công nghệ và là động lực cho nhiều lĩnh vực khác nhau Sarkar và các cộng sự đã nói “trong lĩnh vực cơ sinh học cá, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các mô hình toán học để hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển động và lực đẩy của cá”[8].Các mô hình này cũng giải thích các cơ chế phức tạp cho phép cá tạo ra các chuyển động mạnh mẽ, chính xác và giúp chúng bơi lội và di chuyển với hiệu quả vượt trội Hơn nữa, cơ sinh học cá đã truyền cảm hứng cho sự phát triển của các hệ thống dưới nước mới cho các lĩnh vực khác như ứng dụng quân sự và công nghiệp

During life cycle in water environment, from eggs hatching as larvae to juveniles and adult, fish have inspired plenty of things for technology and play a role of inspiration for many researching fields Sarkar and his partner has said “In fish biomechanics, mathematical models have been used to gain insights about the mechanisms of fish movement and propulsion.” The complicated mechanisms which allows fish to generate powerful, precise movements and help them to swim and maneuver with remarkable efficiency is also explained these models Furthermore, fish biomechanics have inspired the development of new underwater systems for other field such as military and industrial applications

Hoạt động thường ngày của cá cũng rất đa dạng, bao gồm các hoạt động bơi tự do, săn mồi, đứng nước, thoát khỏi kẻ săn mồi…nên các cảm hứng sinh học từ cá cũng rất đa dạng, Voesenek và các cộng sự cũng chỉ ra “Khi chuyển hóa năng lượng, chúng cần giảm

thiểu sự dịch chuyển và chuyển động; trốn thoát kẻ săn mồi đòi hỏi phải phản ứng nhanh, tăng tốc mạnh, kiểm soát góc thoát và di chuyển khó lường; săn bắt và kiếm ăn cần kiểm soát vị trí miệng, mở rộng và thời gian lưu lượng hút, tăng tốc một cách bất chợt và mạnh mẽ.”[9]

The daily activities of fish are also very diverse, including free swimming, hunting, standing in water, escaping from predators so the biological inspiration from fish is also very diverse, Voesenek and colleagues also pointed out “when converting energy, they need to minimize displacement and movement; escaping predators requires quick reactions, strong acceleration, control of the angle of escape and unpredictable movements; Hunting and foraging require control of mouth position, opening and duration of suction flow, and sudden and strong acceleration.”

Dưới hàng nghìn năm của sự chọn lọc tự nhiên, cá trong tự nhiên đã được trang bị khả năng vận động tuyệt vời, như tốc độ bơi cao và khả năng điều khiển đáng chú ý, thúc đẩy các nhà nghiên cứu phát triển nhiều loại robot dưới nước được lấy cảm hứng từ cá

Ta chọn cá làm nguồn cảm hứng sinh học trong chế tạo robot vì chúng có nhiều đặc điểm

tự nhiên như sau:

Over thousands of years of natural selection, fish in nature have been endowed with remarkable locomotion capabilities, such as high swimming speed and notable maneuverability, inspiring researchers to develop various types of fish-inspired underwater robots Fish are chosen as a source of biological inspiration in robot development due to their natural characteristics, including:

Có nhiều kiểu di chuyển linh hoạt, hiệu quả cao về hiệu suất di chuyển

Fish exhibit various types of flexible and efficient movements, showcasing high efficiency

Cảm biến và hệ thống điều khiển: cá sử dụng các giác quan và hệ điều khiển phức tạp để tương tác với môi trường và duy trì sự cân bằng

Sensing and control systems: Fish utilize complex sensory organs and control systems

to interact with the environment and maintain balance

Cấu trúc: cơ thể của cá thường linh hoạt và có cấu trúc phức tạp, mang lại hiệu quả cao trong việc di chuyển

Body structure: The bodies of fish are often flexible and possess complex structures, contributing to high efficiency in movement

Động lực học chất lỏng: cá có khả năng di chuyển mượt mà trong môi trường nước, thậm chí trong các điều kiện dòng chảy phức tạp

Fluid dynamics: Fish demonstrate smooth movement in water environments, even in complex flow conditions, showcasing fluid dynamics proficiency

Những đặc tính trên khiến cho cá trở thành nguồn cảm hứng quan trọng trong việc phát triển robot với khả năng di chuyển và tương tác mạnh mẽ trong môi trường chất lỏng

Choosing fish as a biological inspiration for robot development leverages these natural characteristics, paving the way for the creation of underwater robots with enhanced mobility and interaction capabilities

2.1.1 Di chuyển của cá/ Fish Movement

Trên thế giới hiện nay tồn tại khoảng trên 31900 loài cá [10] được phân chia thành nhiều nhóm khác nhau, mỗi nhóm cá có một đặc thù di chuyển khác nhau Sự phân chia di chuyển của các nhóm cá chủ yếu dựa vào chuyển động gợn sóng của cơ thể và đuôi cá, vây cá [11]

There are approximately over 31,900 species of fish has been found all over the world, divided into various groups, each with its own unique mode of movement The division

of movement among these fish groups primarily relies on the undulating motion of their bodies and the fins and tails of the fish

Hình 2 1 Các hình thức vận động chính của cá/ Figure 2.1 Fish movement model

Các kiểu di chuyển của các được chia thành năm nhóm chính Anguilliform là kiểu di chuyển giống bộ cá chình và những con có có hình dáng thon dài như lươn, các sóng được tạo ra truyền dọc theo cơ thể Subcarangiform, ví dụ như cá hồi, là kiểu di chuyển với gợn sóng tăng dần rõ rệt dọc theo cơ thể về nữa sau của cá, thân cá cứng tạo ra tốc

độ cao nhưng không có khả năng cơ động và bẻ lái cao

The fish movement type are divided into five main categories Anguilliform is a movement type similar to eels and those with a slender, elongated body, where waves are generated and travel along the body Subcarangiform, for example, in salmon, is a movement type characterized by gradually increasing waves along the posterior half of the fish's body The fish's rigid body allows for high speed but lacks maneuverability and high agility

Carrangiform có sóng dao động nhanh tập trung ở phần đuôi Thunniform, thường bắt gặp ở cá ngừ, cá mập lamnid, cá nhồng, với chiếc đuôi lớn và khỏe hình lưỡi liềm giúp chúng trở thành những kẻ bơi đường dài với tốc độ cao Hình thức bơi này giúp chúng đuổi bắt mồi dễ dàng Ostraciiform, thường gặp ở cá nóc, cá bò, các loại cá này chỉ có chuyển động ở đuôi, và hầu như không có chuyển động nào khác Các chuyển động ở

đuôi của các loài cá này thường rất nhanh để tạo lực đẩy [12] Carrangiform involves rapid oscillatory waves concentrated in the tail region Thunniform, commonly found in tunas, lamnid sharks, and swordfish, features a large, robust tail resembling a crescent shape, allowing them to be long-distance swimmers with high speed This swimming style aids them in easily pursuing prey Ostraciiform, often seen in boxfish and cowfish, involves movement solely in the tail, with little to no other motion The tail movements

of these fish are typically very fast to generate thrust

Cá bơi về cơ bản là do sự truyền động lượng từ cá sang vùng nước xung quanh (và ngược lại) Faudi và các cộng sự trong bài “A review on development of robotic fish” đã chỉ ra

“các lực tác động chính bao gồm lực kéo, lực nâng, trọng lực và lực cản Lực kéo xuất

phát từ sự mất ma sát giữ da cá và nước, áp lực nước và các xoáy do vây cá tạo ra khi di chuyển tạo ra đường cho cá đi qua trong nước”[13] Các lực cản trong nước tùy thuộc vào môi trường khác nhau, nước tĩnh hoặc động, ổn định hoặc không ổn định Về cơ bản, chúng ta chỉ xét đến ba lực chính tác động lên một con cá đang bơi bao gồm: lực hướng xuống do trọng lực, lực hướng lên do lực đẩy nỗi và lực nâng thủy động lực hướng lên đẩy cá bơi theo hướng về phía trước Trường hợp cá có sức nỗi âm thì phải tạo thêm lực

nâng thủy động lực để cân bằng các lực thẳng đứng, giúp nó không bị chìm./ Fish primarily swim by transmitting momentum from the fish to the surrounding water (and vice versa) Faudi and colleagues in their paper "A review on development of robotic fish" pointed out, "the main forces include drag force, buoyancy force, gravity, and thrust force Drag force arises from the skin friction between the fish and water, water pressure, and vortices generated by fish fins during motion create pathways for the fish

to move through the water" In-water resistance forces depend on different environmental factors, such as still or moving water, stable or unstable In essence, we consider three main forces acting on a swimming fish, including the downward force due

to gravity, the upward force due to buoyancy, and the hydrodynamic thrust force pushing the fish forward In the case of negatively buoyant fish, additional hydrodynamic lift force must be generated to balance the vertical forces, preventing them from sinking

Hình 2 2 Lực tác động lên cá/ Figure 2.2 Forces acting on fish

Các lực tác động lên cá bao gồm lực kéo về phía trước, trọng lực, lực đẩy nổi và trở lực,

hình 2.2/ The forces acting on the fish include drag force forward, gravity, buoyancy force, and resistance force, as shown in Figure 2.2

theo trái đất Hệ quy chiếu đặt tại thân cá nằm ở trung tâm của cá và di chuyển cùng với

cá khi cá bơi Hệ quy chiếu này thường nằm ở tâm khối của cá và di chuyển theo chuyển động của cá Hệ quy chiếu quán tính cố định theo trái đất không di chuyển và luôn được tham chiếu đến Trái đất Nó cung cấp một hệ tham chiếu quán tính để nghiên cứu chuyển động của cá Hai hệ quy chiếu này quan trọng để mô tả động học của hệ thống phân phối thuốc và cho phép chúng ta phân tích chuyển động của hệ thống từ các góc nhìn khác nhau

The first step in describing dynamics is to determine the reference frame, also known as the coordinate system For the drug delivery system model inspired by fish, two reference frames are used: the body-fixed frame and the Earth-fixed inertial frame The body-fixed frame is located at the body of the fish and moves along with the fish as it swims This frame is typically centered at the fish's center of mass and moves with the fish's motion The Earth-fixed inertial frame, on the other hand, remains fixed and does not move with the fish It is typically referenced to the Earth and provides an inertial reference for studying the fish's motion These two reference frames are essential for describing the dynamics of the drug delivery system and allow us to analyze the motion of the system from different perspectives

Vật thể di chuyển trong nước sẽ có sáu bậc tự do, một ký hiệu tiêu chuẩn đã được phát triển bởi Hiệp hội Hải quân và Kỹ sư Hàng hải (SNAME) để m ô tả các bậc tự do, góc quay và lực, moment được thể hiện trong bảng 2.1 [14]

Objects moving in water typically have six degrees of freedom, a standard notation developed by the Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME) to describe the degrees of freedom, angular rotations, and forces and moments These are represented in Table 2.1

Bảng 2 1 Ký hiệu tiêu chuẩn SNAME cho các thiết bị dưới nước/

Table 2.1 Standard SNAME Notation for Underwater Devices

Tên chuyển động/

Name

Lực và moments /

Force and moments

Vận tốc tuyến tính

và vận tốc

góc/ Linear and angular velocity

Vị trí và góc Euler/

Positions and Euler angles

1 Tịnh tiến trên

trục x/ Motion

in the direction

2 Tịnh tiến trên

trục y/ Motion

in the direction

3 Tịnh tiến trên

trục z/ Motion

in the direction

Hình 2 3 Hệ quy chiếu và các thành phần của hệ thống di chuyển/ Figure 2.3 Frames

and elementary of moving system

Để phát triển một mô hình toán học, chuyển động của cá thường được biểu diễn dưới

dạng vector, như các phương trình dưới đây:/ The purpose of developing a mathematical model, fish motion is often represented in vector form, as in the following equations:

η = [η1 η2] T, η1 = [𝑥 𝑦 𝑧]T , η2 = [𝜑 𝜃 𝜓]T

𝜗 = [𝑣1 𝑣2]𝑇, 𝑣1= [𝑢 𝑣 𝑤]𝑇, 𝑣2 = [𝑝 𝑞 𝑟]𝑇

𝜏 = [𝜏1 𝜏2]𝑇, 𝜏1 = [𝑋 𝑌 𝑍]𝑇, 𝜏2= [𝐾 𝑀 𝑁]𝑇

Trong đó, η là vector của các vị trí tuyến tính và góc bên trong trong khung tham chiếu

cố định trái đất, ϑ là vector của vận tốc tuyến tính và vận tốc góc trong khung tham chiếu

hệ thống cố định và τ là vector của lực và moment trong khung tham chiếu hệ thống cố

định./ In which, η is the vector of linear positions and internal angles in the Earth-fixed

reference frame, ϑ is the vector of linear velocities and angular velocities in the fixed system reference frame, and τ is the vector of forces and moments in the fixed system reference frame

Thông tin chuyển động và vận tốc của cơ thể được tạo ra bởi động lực học của hệ thống

so với gốc tọa độ cố định trái đất Các chuyển động này được tạo thành từ một loạt các phép quay cụ thể như được mô tả trong định lí Euler về phép quay Để thực hiện các phép quay này, vận tốc tuyến tính và vận tốc góc được xử lý một cách riêng biệt, do đó vector vector 𝜗 được chia thành vector 𝑣1 và 𝑣2, đại diện cho vận tốc tuyến tính và vận

tốc góc trong khung tham chiếu hệ thống cố định./ The translational and angular

velocities of the body are generated by the dynamics of the system relative to the origin

of the Earth-fixed coordinate frame These displacements are formed from a series of specific rotations as outlined in Euler's theorem on rotations To perform these rotations, linear velocity and angular velocity are handled separately, thus the vector ϑ is divided into vectors v₁ and v₂, representing linear velocity and angular velocity in the fixed system frame

Công thức tiêu chuẩn cho vận tốc tuyến tính này được thể hiện ở công thức (1) và vận

tốc góc thể hiện ở công thức (2)/ The standard formula for linear velocity is represented

in equation (1), and angular velocity is expressed in equation (2)

η1̇ =𝐽1(η1)𝑣1 (1)

η2̇ =𝐽2(η2)𝑣2 (2)

Trong đó, η1̇ và η2̇ là vận tốc tuyến tính và vận tốc góc trong hê quy chiếu trái đất 𝐽1 và

𝐽2 là ma trận chuyển đổi, 𝐽1 là ma trận chuyển đổi cho vận tốc tuyến tính (3), 𝐽2 ma trận chuyển đổi vận tốc góc (4) Ma trận 𝐽1 và 𝐽2 được Antonelli và các cộng sự xác định như

sau [15]/ In which, 𝜂1̇ and 𝜂2̇ are linear velocity and angular velocity in the Earth-fixed reference frame 𝐽1 and 𝐽2 are transformation matrices, where 𝐽1 is the transformation matrix for linear velocity (3), and 𝐽2 is the transformation matrix for angular velocity (4) The matrices 𝐽1 and 𝐽2 are determined as follows by Antonelli and colleagues [9]

Trong đó c là cos, s là sin, t là tan Vì vậy, ma trận chuyển vị của vận tốc của hệ thống

được viết dưới dạng như (5) và (6)/ Where c represents cosine, s represents sine, and t represents tangent Therefore, the velocity transformation matrix of the system is written

in the following forms (5) and (6)