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利用激光產(chǎn)生和控制的氣泡組裝成微型機(jī)器人

牽手一起夢(mèng) ? 來(lái)源:南極熊3d打印 ? 作者:南極熊3d打印 ? 2020-12-29 14:28 ? 次閱讀

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。類似地,將不同類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(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。

責(zé)任編輯:gt

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