CN104528637B - 一种三探针机器人纳米操纵系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由三个探针组成的机器人纳米操纵系统及方法，其主要组成部分有：倒置或正置光学显微镜、光学检测模块、探针控制模块、力反馈模块及扫描器控制模块等。该系统装置的建立，可以实现在纳米尺度上，对特定物体的搬迁，操纵，切割，测试及重组等。其不仅适用于大气环境下，还可以应用于液相环境下，实现对生物细胞、蛋白质及DNA等的操纵。本发明目的在于使用三个探针组成的纳米操纵装置改进现有使用单/双探针纳米操纵装置的操纵方法而提出的一种不但能得到样品的形貌图像，还能通过两个探针对被操纵物体的夹取和另一个探针的操纵相配合，实现对任意形状被操纵物体的搬迁，操纵，切割，测试及重组等的方法。

Description

一种三探针机器人纳米操纵系统及方法
技术领域
本发明涉及一种机器人纳米操纵的系统及方法，尤其涉及一种使用三个探针进行机器人纳米操纵的系统及方法。
背景技术
机器人纳米操纵技术是一种对操纵对象定位和控制以实现纳米测量和制造的新技术。该技术通过控制原子、分子和其它物体研究介观现象、制造纳米材料和器件，其可能应用包括几乎所有科技领域，是本世纪最有发展前景的纳米技术之一。对于研究制造纳米材料和器件等，人们使用了很多的方法。如机械加工技术，其获得的成品率很高，但精度极低；电化学方法，可以获得纳米结构，但也无法达到精准的要求；利用光刻技术也可以获得高精度的纳米材料，但无法实现纳米尺度单一结构材料的改造。
目前，研究最多的传统纳米操纵方法为原子力显微镜(AFM)技术，其不但可以得到被操纵物体的形貌图像，还可以实现对被操纵物体的操作。但该技术仅可以实现对被操纵物体的二维操纵，如“推”、“拉”及“刻划”等。双探针机器人纳米操纵系统，是在AFM的基础上又添加了一个探针，使两探针形成镊子状，来实现对被操纵物体的“提起”、“搬运”及“放下”的三维操纵。但是其在使用过程中，受被操纵物体的形状因素影响较大。故针对操纵方法简易、灵活，操纵对象广泛等要求，使用三探针机器人纳米操纵技术将如上系统进行改善。
三探针机器人纳米操纵系统，是在双探针系统的基础上，又添加了一个探针，使这三个探针形成三角状。该系统装置的建立，可以在不破坏其他结构的基础上，实现对任意特定物体的一维、二维及三维操纵，如对特定物体的搬迁，操纵，切割，测试及重组等，还可以实现对被操纵物体的拉伸及对生物细胞、蛋白质等的“手术”。其不仅适用于大气环境下，还可以应用于液相环境下，实现对生物细胞、蛋白质及DNA等的操纵及测试。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种使用三探针进行机器人纳米操纵的系统及方法，不但可观测被操纵物体的形貌，振幅、力、电、声等物理特征的变化，还能在纳米尺度上，实现对被操纵物体的一维、二维及三维操纵。
本发明技术解决方案：使用三探针进行机器人纳米操纵的系统包括：扫描器控制模块(1)、倒置或正置光学显微镜(3)、第一探针控制模块(4)，第二探针控制模块(5)，第三探针控制模块(6)，力反馈模块(7)和光学检测模块(8)。被操纵物体(2)置于扫描器控制模块(1)上，第一探针控制模块(4)和第二探针控制模块(5)分别置于倒置或正置光学显微镜(3)的两侧，且第一探针控制模块(4)和第二探针控制模块(5)在同一水平面上对立或成特定角度放置，第三探针模块(6)置于第一探针模块和第二探针模块的中垂线上，通过计算机分别控制第一探针控制模块(4)、第二探针控制模块(5)和第三探针控制模块(6)动作和操作；通过力反馈模块(7)和光学检测模块(8)确定实施操纵力的大小，同时第一探针控制模块(4)通过扫描，在纳米尺度上获得被操纵物体的形貌、振幅、力、电、声等物理图像。
所述第一探针控制模块(4)由第一探针、第一探针架及第一XYZ方向步进电机组成；第一探针通过第一探针架支撑，并与第一XYZ方向步进电机相连接，第一XYZ方向步进电机与计算机连接。
所述第二探针控制模块(5)由第二探针、第二探针架、压电陶瓷驱动器及第二XYZ方向步进电机组成；第二探针通过第二探针架支撑，并与第二压电陶瓷驱动器相连接，压电陶瓷驱动器与第二XYZ方向步进电机连接。第二XYZ方向步进电机、第二压电陶瓷驱动器与计算机连接。
所述第三探针控制模块(6)由第三探针、第三探针架及压电陶瓷驱动器组成；第三探针通过第三探针架支撑，并与第三压电陶瓷驱动器相连接，压电陶瓷驱动器与第三XYZ方向步进电机连接。第三XYZ方向步进电机、第三压电陶瓷驱动器与计算机连接。
一种三探针进行机器人纳米操纵的方法，实现步骤如下：
(1)利用倒置或正置光学显微镜进行样品快速粗定位，选择被操纵物体位置区域，再通过第一探针模块、力反馈模块、光学检测模块及扫描器控制模块对样品进行扫描，以确定被操纵物体具体位置；
(2)第一探针控制模块通过力反馈模块和光学检测模块的反馈信息，调整确定第一探针位置，经扫描器控制模块辅助，将其移动到被操纵物体的一侧；第二探针控制模块通过力反馈模块和光学检测模块的反馈信息，控制第二探针，并将其移动到被操纵物体的另一侧；两探针形成镊子状，固定住被操纵物体；
(3)第三探针控制模块，通过力反馈模块和光学检测模块的反馈信息，控制第三探针对被操纵物体进行辅助夹持或在被第一探针和第二探针固定住的被操纵物体上进行操纵；再使用第一探针控制模块及扫描器控制模块等通过扫描，在纳米尺度上获得被操纵后物体的形貌、振幅、力、电、声等物理图像信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明使用三个探针组成的纳米操纵装置改进现有使用单/双探针纳米操纵装置的操纵方法，不但能得到样品的形貌图像，还能通过两个探针对被操纵物体的夹取和另一个探针的操纵相配合，实现对任意形状被操纵物体的搬迁，操纵，切割，测试及重组等的方法。其不仅适用于大气环境下，还可以应用于液相环境下，实现对生物细胞、蛋白质及DNA等的操纵。
附图说明
图1为本发明三探针机器人纳米操纵的系统原理示意图；
其中1为扫描器控制模块，2为被测物体，3为倒置或正置光学显微镜，4为第一探针控制模块，5为第二探针控制模块，6为第三探针控制模块，7为力反馈模块，8为光学检测模块。
图2为本发明的系统设计图。其中1为扫描器控制模块，41为第一探针及第一探针架，42为第一XYZ方向步进电机，51为第二探针及第二探针架，53为压电陶瓷驱动器，52为第二XYZ方向步进电机，61为第三探针及第三探针架，63为压电陶瓷驱动器，62为第三XYZ方向步进电机。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明三探针机器人纳米操纵的系统主要包括：扫描器控制模块1、倒置或正置光学显微镜3、第一探针控制模块4、第二探针控制模块5和第三探针控制模块6。被测物体2置于扫描器控制模块1上，第一探针控制模块4和第二探针控制模块5分别置于倒置或正置光学显微镜3的两侧，且第一探针控制模块4和第二探针控制模块5成90°-180°夹角放置，第三探针模块6置于第一探针模块和第二探针模块的中垂线上，通过计算机分别控制第一探针控制模块4、第二探针控制模块5和第三探针模块6动作和操作。
首先通过光学显微镜确定样品被扫描区域，然后使用第一探针对被测样品进行扫描，确定被操作物体的具体位置，再通过系统的力反馈及光学检测模块的反馈信息，将第一探针和第二探针移动到所需要到达的位置，然后再移动第三探针，使其完成对被操纵物体进行辅助夹持或在被第一探针和第二探针固定住的被操纵物体上进行操纵；最后再使用第一探针控制模块及扫描器控制模块等对被操作后的样品进行扫描，获得被操纵物体的形貌、振幅等图像信息，以确定是否达到预期操纵效果。
如图2所示，第一探针控制模块4由第一探针及第一探针架41，第一XYZ方向步进电机42组成。第一探针通过第一探针架支撑，并与第一XYZ方向步进电机42相连接，第一XYZ方向步进电机与计算机连接；第二探针控制模块5由第二探针及第二探针架51、第二压电陶瓷驱动器53，第二XYZ方向步进电机52组成。第二探针通过第二探针架支撑，并与第二压电陶瓷驱动器53连接，压电陶瓷驱动器与第二XYZ方向步进电机连接。第二XYZ方向步进电机、第二压电陶瓷驱动器与计算机连接；第三探针控制模块6由第三探针及第三探针架61，压电陶瓷驱动器63，第三XYZ方向步进电机62组成。第三探针通过第三探针架支撑，并与第三压电陶瓷驱动器63连接，压电陶瓷驱动器与第三XYZ方向步进电机连接。第三压电陶瓷驱动器、第三XYZ方向步进电机与计算机连接。在计算机的控制下，首先使用第一探针控制模块对样品进行扫描，确定被操作物体的位置，再通过系统的反馈信息，调整确定第一探针41的位置；第二探针控制模块5控制第二探针，将其移动到被操纵物体的另一侧；两探针形成镊子状，固定住被操纵物体；第三探针控制模块，通过系统的反馈信息，控制第三探针对被操纵物体进行夹持或操纵；再使用第一探针控制模块通过扫描，在纳米尺度上获得被操纵后物体的形貌、振幅、力、电、声等物理图像信息。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三探针机器人纳米操纵系统，其特征在于包括：扫描器控制模块(1)、倒置或正置光学显微镜(3)、第一探针控制模块(4)，第二探针控制模块(5)，第三探针控制模块(6)，力反馈模块(7)和光学检测模块(8)；被操纵物体(2)置于扫描器控制模块(1)上，第一探针控制模块(4)和第二探针控制模块(5)分别置于倒置或正置光学显微镜(3)的两侧，且第一探针控制模块(4)和第二探针控制模块(5)成90°-180°夹角放置，第三探针模块(6)置于第一探针模块和第二探针模块的中垂线上，通过计算机分别控制第一探针控制模块(4)、第二探针控制模块(5)和第三探针控制模块(6)动作和操作；通过力反馈模块(7)和光学检测模块(8)确定实施操纵力的大小，同时第一探针控制模块(4)通过扫描，在纳米尺度上获得被操纵物体的形貌、振幅图像；
所述第一探针控制模块(4)由第一探针、第一探针架及第一XYZ方向步进电机组成；第一探针通过第一探针架支撑，并与第一XYZ方向步进电机相连接，第一XYZ方向步进电机与计算机连接；
所述第二探针控制模块(5)由第二探针、第二探针架、压电陶瓷驱动器及第二XYZ方向步进电机组成；第二探针通过第二探针架支撑，并与第二压电陶瓷驱动器连接，压电陶瓷驱动器与第二XYZ方向步进电机相连接；第二XYZ方向步进电机、第二压电陶瓷驱动器与计算机连接；
所述第三探针控制模块(6)由第三探针、第三探针架、压电陶瓷驱动器及第三XYZ方向步进电机组成；第三探针通过第三探针架支撑，并与第三压电陶瓷驱动器连接，压电陶瓷驱动器与第三XYZ方向步进电机相连接；第三XYZ方向步进电机、第三压电陶瓷驱动器与计算机连接。
2.一种三探针机器人纳米操纵方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)利用倒置或正置光学显微镜进行样品快速粗定位，选择被操纵物体位置区域，再通过第一探针模块、力反馈模块、光学检测模块及扫描器控制模块对样品进行扫描，以确定被操纵物体的具体位置；
(2)第一探针控制模块通过力反馈模块和光学检测模块的反馈信息，调整确定第一探针位置，并将其移动到被操纵物体的一侧；第二探针控制模块通过力反馈模块和光学检测模块的反馈信息，控制第二探针，并将其移动到被操纵物体的另一侧；两探针形成镊子状，固定住被操纵物体；
(3)第三探针控制模块，通过力反馈模块和光学检测模块的反馈信息，控制第三探针对被操纵物体进行操纵；再使用第一探针控制模块通过扫描，在纳米尺度上获得被操纵后物体的形貌、振幅、力、电、声物理图像信息。
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