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中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所劉連慶研究員：利用氣泡作為微型機器人實(shí)現

更新時(shí)間：2022-12-26點(diǎn)擊次數：1092

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工業(yè)機器人已被廣泛應用于制造和組裝，但是在微觀(guān)尺度上，大多數組裝技術(shù)只能將微模塊簡(jiǎn)單的排列在一起，很難將其裝配在一起形成一個(gè)不易分散的實(shí)體。近日，中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所劉連慶研究員領(lǐng)導的微納米機器人課題組利用激光產(chǎn)生和控制的氣泡作為微型機器人，將不同形狀和功能的微小零件裝配在一起。這些微小零件是通過(guò)PμSL 3D打印技術(shù)（摩方精密，nanoArch S130）制備而成。在這項研究中，表面氣泡充當芯片上的微型機器人。這些微型機器人可以移動(dòng)、固定、抬起和放下微型零件，并將它們集成在一起，形成緊密連接的實(shí)體。

以燕尾形零件的裝配過(guò)程為例（圖1），氣泡機器人首先將帶有榫舌的微型零件抬起，而后另一個(gè)移動(dòng)微氣泡機器人將帶有卯眼的微型零件移動(dòng)至指。定的位置，原先的微氣泡在激光關(guān)閉后緩慢消失從而使得榫舌結構插入卯眼中。用此方法裝配的微型零件可以作為一個(gè)整體運動(dòng)而不會(huì )分離。類(lèi)似地，將不同類(lèi)型的零件整體組裝可以得到不同的結構，例如齒輪、蛇形鏈條和車(chē)輛，然后由氣泡微型機器人驅動(dòng)它們以執行不同形式的運動(dòng)。這種組裝技術(shù)既簡(jiǎn)單又有效，有望在微操作、模塊化組裝和組織工程中發(fā)揮重要作用。該工作以“Integrated Assembly and Flexible Movement of Microparts Using Multifunctional Bubble Microrobots"為題發(fā)表在A(yíng)CS Applied Materials & Interfaces上。https://doi.org/10.1021/acsami.0c17518


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圖1. 裝配過(guò)程和實(shí)驗系統示意圖。A) 燕尾形零件的裝配過(guò)程。B) 系統的示意圖。
 
當激光照射在非晶硅表面時(shí)，由于光熱效應，在固液界面處會(huì )產(chǎn)生一個(gè)氣泡，并可在激光的控制下進(jìn)行移動(dòng)。當氣泡產(chǎn)生在微模塊的底部時(shí)，氣泡可將微模塊抬起。本研究利用氣泡產(chǎn)生過(guò)程快而溶解過(guò)程慢的特點(diǎn)，先控制一個(gè)氣泡將微零件抬起，然后利用第二個(gè)氣泡移動(dòng)另一個(gè)微零件。當第一個(gè)氣泡緩慢消失時(shí)，第一個(gè)零件緩慢落下，兩個(gè)微零件能夠裝配在一起。利用氣泡對微零件的三維操作能力，將二維組裝變?yōu)槿S裝配。


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利用不同形狀的微零件，可以得到齒輪（圖2）、鏈條（圖3）和小車(chē)（圖4）等不同的結構，這些結構在氣泡的驅動(dòng)下可以進(jìn)行多種靈活的運動(dòng)。


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圖2. 齒輪結構的裝配過(guò)程及運動(dòng)
 


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圖3. 鏈條結構的裝配過(guò)程及運動(dòng)


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圖4. 小車(chē)結構的裝配過(guò)程及運動(dòng)
 
總而言之，該研究利用微小氣泡作為機器人，對微零件進(jìn)行抬起、移動(dòng)、固定等操作，并利用氣泡機器人的三維操作能力，將多個(gè)零件裝配成整體，提供了一種新的微尺度操作和裝配技術(shù)。
（以上相關(guān)介紹內容由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所微納米機器人課題組代利國博士提供）

上述研究工作涉及的PμSL微尺度3D打印技術(shù)由摩方精密提供，因此摩方公司就這一創(chuàng )新型成果對中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所微納米機器人課題組進(jìn)行了更進(jìn)一步的補充訪(fǎng)談，以下為部分內容：


1、BMF：請問(wèn)利用氣泡作為微型機器人來(lái)操縱微型零件有哪些優(yōu)勢？潛在的應用有哪些？

代博士：氣泡作為微型機器人，可以對單個(gè)的零件進(jìn)行多種形式的操作，特別是可以控制微模塊的三維姿態(tài)，這是其相比于其他微納操作技術(shù)的優(yōu)勢。其可以用于操作細胞、顆粒和微模塊等，在生物醫學(xué)、組織工程等領(lǐng)域都有應用前景。

2、BMF：請問(wèn)在這次研究中，為什么采用微尺度3D打印的制備方式？

代博士：我們設計的零件包含各式各樣的微米尺度接頭，比如燕尾形的榫舌和卯眼等，其中最小細節尺寸30μm，并且這些結構有尺寸配合的要求。摩方公司的3D打印技術(shù)可以很好的滿(mǎn)足我們的要求，尺寸和形狀都可以按照設計進(jìn)行靈活加工，誤差也在可控范圍內。此外，面投影光刻3D打印技術(shù)可以批量化快速制作零件，有助于實(shí)驗的順利完成。

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