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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(jī)器人實(shí)現(xiàn)

更新時(shí)間：2022-12-26

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工業(yè)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于制造和組裝，但是在微觀尺度上，大多數(shù)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(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所劉連慶研究員領(lǐng)導(dǎo)的微納米機(jī)器人課題組利用激光產(chǎn)生和控制的氣泡作為微型機(jī)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(xiàng)研究中，表面氣泡充當(dāng)芯片上的微型機(jī)器人。這些微型機(jī)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(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)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(yùn)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(jié)構(gòu)，例如齒輪、蛇形鏈條和車(chē)輛，然后由氣泡微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)它們以執(zhí)行不同形式的運(yùn)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ACS Applied Materials & Interfaces上。https://doi.org/10.1021/acsami.0c17518

圖1. 裝配過(guò)程和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。A) 燕尾形零件的裝配過(guò)程。B) 系統(tǒng)的示意圖。

當(dāng)激光照射在非晶硅表面時(shí)，由于光熱效應(yīng)，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(dāng)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(dāng)?shù)谝粋€(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(duì)微零件的三維操作能力，將二維組裝變?yōu)槿S裝配。

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(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在氣泡的驅(qū)動(dòng)下可以進(jìn)行多種靈活的運(yùn)動(dòng)。

圖2. 齒輪結(jié)構(gòu)的裝配過(guò)程及運(yùn)動(dòng)

圖3. 鏈條結(jié)構(gòu)的裝配過(guò)程及運(yùn)動(dòng)

圖4. 小車(chē)結(jié)構(gòu)的裝配過(guò)程及運(yùn)動(dòng)

總而言之，該研究利用微小氣泡作為機(jī)器人，對(duì)微零件進(jìn)行抬起、移動(dòng)、固定等操作，并利用氣泡機(jī)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(nèi)容由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所微納米機(jī)器人課題組代利國(guó)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(duì)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所微納米機(jī)器人課題組進(jìn)行了更進(jìn)一步的補(bǔ)充訪談，以下為部分內(nèi)容：

1、BMF：請(qǐng)問(wèn)利用氣泡作為微型機(jī)器人來(lái)操縱微型零件有哪些優(yōu)勢(shì)？潛在的應(yīng)用有哪些？

代博士：氣泡作為微型機(jī)器人，可以對(duì)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(shì)。其可以用于操作細(xì)胞、顆粒和微模塊等，在生物醫(yī)學(xué)、組織工程等領(lǐng)域都有應(yīng)用前景。

2、BMF：請(qǐng)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?cè)O(shè)計(jì)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(xì)節(jié)尺寸30μm，并且這些結(jié)構(gòu)有尺寸配合的要求。摩方公司的3D打印技術(shù)可以很好的滿足我們的要求，尺寸和形狀都可以按照設(shè)計(jì)進(jìn)行靈活加工，誤差也在可控范圍內(nèi)。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(yàn)的順利完成。

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