基于光热效应的气泡微型机器人控制方法与应用研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 代利国
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| 答辩日期 | 2021-05-18 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 刘连庆 |
| 关键词 | 光热效应 气泡 微型机器人 微操作与组装 一体化装配 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 检测技术与自动化装置 |
| 其他题名 | Research on Control and Applications of Bubble Microrobots Based on Opto-thermal Effect |
| 英文摘要 | 气泡作为一种自然界中广泛存在的两相系统，在人们的生活和生产活动中扮演着重要的角色。在微纳尺度下，气泡可以为物体的运动提供驱动力，也能够对特定的目标实施操作。本文利用光热效应产生和控制气泡微型机器人，将其应用于微球和微模块的操作与装配，开展了以下几个方面的研究工作：1）微气泡的产生和控制方法研究。光热效应在微气泡的产生中起着关键的作用，首先分析了光热气泡产生的机理，设计并搭建了利用激光产生和控制气泡的实验系统。分析材料光热效率和透光率对实验结果的影响，提出材料和激光选择的依据。利用不同功率的激光照射涂有吸热材料的芯片，在吸热层表面产生气泡，获取气泡产生条件，利用有限元仿真软件分析吸热层表面温度变化情况，确定气泡生长的决定性因素。分析光热场的分布与气泡尺寸之间的关系，研究气泡尺寸变化规律，建立气泡生长模型，在此基础上对激光状态进行控制，提出利用调制信号控制气泡尺寸的方法，分析不同参数对气泡尺寸的影响。2）基于光热气泡的微球操作方法。在对气泡尺寸进行控制的基础上，通过激光的移动引导气泡在吸热层表面运动。分析气泡周围液体的流动状态，阐明气泡吸附微球的机理，分析激光参数对流场的影响。利用持续照射的激光控制微气泡吸附和移动芯片上的微球。通过调制激光的照射模式，利用尺寸较小且相对稳定的气泡机器人完成微球的吸附、移动和释放等操作。针对热流场影响微球的问题，提出非接触式操作的解决方案，利用气泡机器人驱动的环形水凝胶模块间接操作微球。3）基于光热气泡的微模块三维操作和组装技术。在微模块二维和组装的基础上，首次提出利用光热表面气泡对微模块实施三维操作的技术，将气泡的操作范围从二维移动扩展至三维翻转。利用气泡产生位置可变的特点，在微模块底部产生微气泡后将其翻转。在此技术上，利用气泡位置和移动方向的变化对不同形状的微模块进行姿态控制。综合利用微气泡的二维和三维操作能力，将微模块组装成不同构造形式的微结构。4）基于光热气泡的一体化装配和驱动技术。利用微气泡产生后能够消失缓慢的特点，在微模块三维操作的技术上，创造性提出微结构一体化装配方案。传统的微组装技术只能实现简单的拼接，利用气泡改变并维持微模块的三维姿态能力，通过接头的配合使微模块在平面内形成整体。利用一体化装配技术组装不同连接形式的微结构，并利用气泡对其整体进行驱动。利用榫卯连接方式实现多模块的整体平移和旋转，并将其用于齿轮的旋转和传动。利用轴孔连接使链条结构在平面内自由地摆动。三维装配能力则可以将微模块装配成小车结构。本文的研究工作为光热表面气泡机器人的产生和控制提供了一定的理论依据和指导，为基于气泡的操作和组装技术提供了新的方法，为体外构建三维生物组织和装配微型机器人提供了技术支持和解决方案。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 110页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/29012]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_机器人学研究室 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 代利国. 基于光热效应的气泡微型机器人控制方法与应用研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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