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中科院沈陽自動化所劉連慶研究員：利用氣泡作為微型機器人實現

閱讀：1196 發布時間：2022-12-26
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工業機器人已被廣泛應用于制造和組裝，但是在微觀尺度上，大多數組裝技術只能將微模塊簡單的排列在一起，很難將其裝配在一起形成一個不易分散的實體。近日，中國科學院沈陽自動化研究所劉連慶研究員領導的微納米機器人課題組利用激光產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PμSL 3D打印技術（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、固定、抬起和放下微型零件，并將它們集成在一起，形成緊密連接的實體。

以燕尾形零件的裝配過程為例（圖1），氣泡機器人首先將帶有榫舌的微型零件抬起，而后另一個移動微氣泡機器人將帶有卯眼的微型零件移動至指。定的位置，原先的微氣泡在激光關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整體運動而不會分離。類似地，將不同類型的零件整體組裝可以得到不同的結構，例如齒輪、蛇形鏈條和車輛，然后由氣泡微型機器人驅動它們以執行不同形式的運動。這種組裝技術既簡單又有效，有望在微操作、模塊化組裝和組織工程中發揮重要作用。該工作以“Integrated Assembly and Flexible Movement of Microparts Using Multifunctional Bubble Microrobots"為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。https://doi.org/10.1021/acsami.0c17518

圖1. 裝配過程和實驗系統示意圖。A) 燕尾形零件的裝配過程。B) 系統的示意圖。

當激光照射在非晶硅表面時，由于光熱效應，在固液界面處會產生一個氣泡，并可在激光的控制下進行移動。當氣泡產生在微模塊的底部時，氣泡可將微模塊抬起。本研究利用氣泡產生過程快而溶解過程慢的特點，先控制一個氣泡將微零件抬起，然后利用第二個氣泡移動另一個微零件。當第一個氣泡緩慢消失時，第一個零件緩慢落下，兩個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，將二維組裝變為三維裝配。

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（圖4）等不同的結構，這些結構在氣泡的驅動下可以進行多種靈活的運動。

圖2. 齒輪結構的裝配過程及運動

圖3. 鏈條結構的裝配過程及運動

圖4. 小車結構的裝配過程及運動

總而言之，該研究利用微小氣泡作為機器人，對微零件進行抬起、移動、固定等操作，并利用氣泡機器人的三維操作能力，將多個零件裝配成整體，提供了一種新的微尺度操作和裝配技術。
（以上相關介紹內容由中科院沈陽自動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打印技術由摩方精密提供，因此摩方公司就這一創新型成果對中科院沈陽自動化所微納米機器人課題組進行了更進一步的補充訪談，以下為部分內容：

1、BMF：請問利用氣泡作為微型機器人來操縱微型零件有哪些優勢？潛在的應用有哪些？
代博士：氣泡作為微型機器人，可以對單個的零件進行多種形式的操作，特別是可以控制微模塊的三維姿態，這是其相比于其他微納操作技術的優勢。其可以用于操作細胞、顆粒和微模塊等，在生物醫學、組織工程等領域都有應用前景。
2、BMF：請問在這次研究中，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打印技術可以很好的滿足我們的要求，尺寸和形狀都可以按照設計進行靈活加工，誤差也在可控范圍內。此外，面投影光刻3D打印技術可以批量化快速制作零件，有助于實驗的順利完成。
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