基于微管流体分配的磁驱动微机器人加工及实验

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xfengxue
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微机器人凭借其尺寸小、惯性小、响应快、运动灵活、应用场合广等优点,迅速被应用到诸多领域,如微创手术、定向给药、微生物培养等领域,具有巨大的应用前景。尽管现有的微加工方法已经取得许多进展,但制备过程比较复杂,加工环境要求苛刻,生产成本较高。由于生物医学领域中微机器人工作环境复杂多变,因此研制出可编程的柔性微加工系统简化加工过程具有十分重要的意义。本文提出基于微管程序化流体分配的微加工方法,搭建相应的微加工系统。要求该系统能够分别加工在梯度磁场、振荡磁场中运动的微米级机器人。搭建微机器人磁驱动系统,研究影响微机器人运动速率的因素及其变化规律。首先,提出基于微管流体分配的点加工、线加工两种工作模式的微加工方法。搭建包括微加工材料填充模块、微加工实验模块的实验系统,确定微机器人的微加工基本流程。此外,依据斯托克斯方程及连续性方程,建立微加工材料在锥形微管尖端内的流动模型,推导出微管尖端的流量公式。其次,利用搭建的微加工系统进行微加工实验研究。由显微视觉尺寸标定实验确定微加工空间的实际尺寸与显微图像之间的对应关系。对微加工点、线两种模式分别进行实验研究:线加工规律性实验表明,紫外聚合物线宽随微管横移速率的增大而减小,随微管工作压强增大而增大;点加工规律性实验表明,紫外聚合物点大小随微管工作压强和气压作用时间增大而增大。随后进行紫外聚合物形状影响实验,获得三甲基(1H,1H,2H,2H-十七氟癸基)硅烷的质量分数对玻璃基板接触角的影响规律。最后,利用微加工系统点加工方式制备出振荡磁场微机器人,利用线加工方式制备出梯度磁场微机器人。再次,进行磁驱动线圈系统设计、搭建及验证。以单对亥姆霍兹线圈生成磁场原理为依据,进行线圈系统的结构设计。分析两种类型磁场产生方式,用有限元分析软件仿真得到磁场的分布特性。利用特斯拉计对磁驱动系统产生的磁场进行理论验证。最后,搭建磁驱动系统并进行磁驱动实验研究。搭建包括实验台模块、显微视觉模块、运动控制模块的磁驱动系统。进行梯度磁场微机器人规律性实验研究,得到磁梯度、液体粘度对运动速率的影响规律,进行振动磁场微机器人规律性实验研究,得到尾部长度、磁场振荡频率对运动速率的影响规律。
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