CN105577025B - 一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，包括底部固定支座，底部固定支座上固定安装有内部支撑固定组件；上支撑固定盘顶部固定安装有载物平台；载物平台中，平台体中央开设有载物圆孔，载物圆孔下方的平台体内填充有超声诱导层，超声诱导层中埋设有压电陶瓷换能片。本发明提供的一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，可以解决纳米马达研究领域无成熟驱动装置的问题，设计了一种利用磁场及超声场联合驱动磁性纳米马达的磁声双动力驱动装置，提高了磁性纳米马达的环境适应性与可操控性。
Description
技术领域
本发明属于纳米马达驱动装置范围，尤其是一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置。
背景技术
纳米马达是一类人工合成的纳米尺度的动力机器，它可将化学、物理或生物反应中的能量转换成机械功输出获取动力，进而在微小空间内实现物质输运、能量传递、信息采集等功能。目前，纳米马达已经在生命科学、环境监测、食品分析、医药工程、基因工程等领域展现出了强大的应用潜力。磁场与超声场是两种常见的物理场，它们均可在空间中实现信息与能量的远程无线传输。因此，磁场与超声场也成为了驱动纳米马达的最佳候选方式。近年来，科研工作者已经逐步实现了利用磁场或超声场控制纳米马达前进、后退、悬停、跳跃、排列等动作，为纳米马达的进一步应用打下了良好的基础。
尽管利用磁场和超声场驱动纳米马达技术正在逐步发展，但目前纳米马达驱动设备的开发却很不成熟。特别是，在复杂环境中，单一动力驱动纳米马达会产生一定局限。例如，在生物样品中，超声可能对某些细胞产生损害；在非磁性纳米马达上，磁场驱动又无法实现。而磁场联合超声驱动双动力驱动模式可以克服单一动力驱动纳米马达的不足，使二者相互弥补，从而极大提高纳米马达的环境适应性与可操控性。基于此，开发应用于磁性纳米马达的磁声双动力驱动装置，对纳米马达的动力学研究、实验及后续应用具有极为重要的意义。目前国内尚未发现类似装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，可以解决纳米马达研究领域无成熟驱动装置的问题，设计了一种利用磁场及超声场联合驱动磁性纳米马达的磁声双动力驱动装置，提高了磁性纳米马达的环境适应性与可操控性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，包括底部固定支座，
底部固定支座上固定安装有内部支撑固定组件；
内部支撑固定组件中，中空底部筒体固定安装于底部固定支座上，中空穿线筒一端穿过中空底部筒体的上端面并与中空底部筒体固定连接，中空穿线筒另一端与上支撑固定盘固定连接，上支撑固定盘上开设有与中空穿线筒连通的导线孔，中空穿线筒下部固定套设有下固定圆盘，下固定圆盘上开设有第一传动孔，中空底部筒体的上端面上开设有与第一传动孔相配合的第二传动孔，中空底部筒体的侧壁上开设有第三传动孔；
上支撑固定盘顶部固定安装有载物平台；
载物平台中，平台体中央开设有载物圆孔，载物圆孔下方的平台体内填充有超声诱导层，超声诱导层中埋设有压电陶瓷换能片，压电陶瓷换能片的引线与超声前驱信号线一端连接，超声前驱信号线另一端穿过导线孔、中空穿线筒进入中空底部筒体后经侧壁穿出与外部超声前驱信号源连接，上支撑固定盘与下固定圆盘之间的中空穿线筒上固定套设有环形导线圈，导线一端与环形导线圈连接，导线另一端伸入中空穿线筒后进入中空底部筒体后经侧壁穿出与外部磁场前驱信号源连接，载物圆孔上方布置有透明介质片；
环形导线外部套设有绕载物平台中心轴旋转的旋转支架，旋转支架为上下均未封闭的圆筒体，旋转支架两侧对称设置有旋转臂，各旋转臂上方安装有与载物平台相配合的电磁铁，各旋转臂内布置有电磁铁电源线，电磁铁电源线一端连接有与环形导线圈相配合的取电弹片，电磁铁电源线另一端与电磁铁的铁芯连接，旋转支架的底部设置有精密齿轮圈，竖向布置的第一传动轴两端各设有上驱动齿轮和下驱动齿轮，上驱动齿轮与精密齿轮圈相啮合，下驱动齿轮与设置于横向传动轴一端的驱动齿轮相结合，横向传动轴另一端穿过中空底部筒体侧壁上的第三传动孔并在端头设置有手柄；
除旋转支架部分的内部支撑固定组件外侧套设有底座外壳，底座外壳上开设有与超声前驱信号线相配合的超声前驱信号孔和与导线相配合的磁场前驱信号孔。
平台体为由非磁性固体材料制成的平台体。
底座外壳为由非磁性固体材料制成的外壳。
旋转支架内壁上设置有与内部支撑固定组件相配合的滚珠圈。
中空底部筒体底部设置有放置横向传动轴的支撑立杆。
超声诱导层为采用碎乳胶填充物组成的超声诱导层。
载物圆孔的直径为1-20毫米，深度为50微米-1厘米。
本发明提供的一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，有益效果如下：
1、开发了一种新的磁性纳米马达的磁场与超声场双动力联合驱动装置，提高了磁性纳米马达的环境适应性与可操控性。
2、产生磁场的电磁铁可以绕中心轴线转动，便于为载物空间提供不同设计的三维空间磁场。
3、磁场和超声场均可有前驱信号实现调控，有利于实现对纳米马达的运动模式的适时调制。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明载物平台的示意图；
图3为本发明旋转支架及传动轴的示意图；
图4为本发明内部支撑固定组件及各导线的示意图。
具体实施方式
如图1-4所示，一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，包括底部固定支座12，
底部固定支座12上固定安装有内部支撑固定组件；
内部支撑固定组件中，中空底部筒体26固定安装于底部固定支座12上，中空穿线筒36一端穿过中空底部筒体26的上端面并与中空底部筒体26固定连接，中空穿线筒36另一端与上支撑固定盘31固定连接，上支撑固定盘31上开设有与中空穿线筒36连通的导线孔28，中空穿线筒36下部固定套设有下固定圆盘37，下固定圆盘37上开设有第一传动孔30，中空底部筒体26的上端面上开设有与第一传动孔30相配合的第二传动孔38，中空底部筒体26的侧壁上开设有第三传动孔35；
上支撑固定盘31顶部固定安装有载物平台1；
载物平台1中，平台体14中央开设有载物圆孔13，载物圆孔13下方的平台体14内填充有超声诱导层16，超声诱导层16中埋设有压电陶瓷换能片15，压电陶瓷换能片15的引线18与超声前驱信号线27一端连接，超声前驱信号线27另一端穿过导线孔28、中空穿线筒36进入中空底部筒体26后经侧壁穿出与外部超声前驱信号源33连接，可为载物孔13提供超声场，上支撑固定盘31与下固定圆盘37之间的中空穿线筒36上固定套设有环形导线圈29，导线39一端与环形导线圈29连接，导线39另一端伸入中空穿线筒36后进入中空底部筒体26后经侧壁穿出与外部磁场前驱信号源32连接，载物圆孔13上方布置有透明介质片2。
载物孔13用于限定纳米马达的运动空间，透明介质片2选用盖玻片，以便于后续光学显微观察，此外，其还可与载物孔构成腔体结构，为超声形成驻波场提供腔体结构。
环形导线外部套设有绕载物平台1中心轴旋转的旋转支架7，旋转支架7为上下均未封闭的圆筒体，旋转支架7两侧对称设置有旋转臂5，各旋转臂5上方安装有与载物平台1相配合的电磁铁4，各旋转臂5内布置有电磁铁电源线20，电磁铁电源线20一端连接有与环形导线圈29相配合的取电弹片23，电磁铁电源线20另一端与电磁铁4的铁芯3连接，旋转支架7的底部设置有精密齿轮圈22，竖向布置的第一传动轴25两端各设有上驱动齿轮21和下驱动齿轮40，上驱动齿轮21与精密齿轮圈22相啮合，下驱动齿轮40与设置于横向传动轴24一端的驱动齿轮17相结合，横向传动轴24另一端穿过中空底部筒体26侧壁上的第三传动孔35并在端头设置有手柄10；
铁芯3及绕铁芯的电磁铁4可为载物空间提供磁场。
除旋转支架7部分的内部支撑固定组件外侧套设有底座外壳6，底座外壳6上开设有与超声前驱信号线27相配合的超声前驱信号孔8和与导线39相配合的磁场前驱信号孔9，超声前驱信号孔8及磁场前驱信号孔9可以外接信号源，分别为压电陶瓷换能片和旋转电磁铁提供前驱信号。
平台体14为由非磁性固体材料制成的平台体。
底座外壳6为由非磁性固体材料制成的外壳，底座外壳6将内部部件包裹，隔绝电磁干扰。
旋转支架7内壁上设置有与内部支撑固定组件相配合的滚珠圈19。
中空底部筒体26底部设置有放置横向传动轴24的支撑立杆34，可为传动轴承25提供物理支撑。
超声诱导层16为采用碎乳胶填充物组成的超声诱导层。
载物圆孔13的直径为1-20毫米，深度为50微米-1厘米。
透明介质片2为盖玻片，底部固定支座12。
固定支座12上冲有螺孔，可以由螺钉11固定于光学平台或其它底座上。
手柄10既可手动旋转，也可与精密电机配合。旋动手柄10可驱动旋转臂绕中心对称轴旋转。
取电弹片23与电磁铁电源线20相连，可为旋转电磁铁提供电源信号，进而使其为载物空间提供方向可变的交变磁场。
环形导线圈29可为电磁铁提供电源，其环形设计可方便取电弹片23在旋转过程中获取电信号。环形导线圈29通过导线与外部磁场前驱信号源32相连，以获取电源信号。
本发明装置的工作过程如下：
使用时，将本装置紧固于光学平台上，用移液器吸取1微升纳米马达，注入载物圆孔13，盖上透明介质片2，开启超声信号源，载物空间随即产生三维超声场；开启电磁铁电源，载物空间即产生三维电磁场，转动旋转臂5，电磁场取向可发生改变。通过光学显微镜头，可观测到磁性纳米马达的三维空间中的运动。根据研究与应用需要，可以适当调节超声信号源与电磁铁电源的强度、方向、频率、相位等，进而调控纳米马达的运动模式，实现磁场与超声场双动力联合驱动装置，提高了磁性纳米马达的环境适应性与可操控性。
Claims (7)
1.一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，包括底部固定支座（12），其特征在于：
底部固定支座（12）上固定安装有内部支撑固定组件；
内部支撑固定组件中，中空底部筒体（26）固定安装于底部固定支座（12）上，中空穿线筒（36）一端穿过中空底部筒体（26）的上端面并与中空底部筒体（26）固定连接，中空穿线筒（36）另一端与上支撑固定盘（31）固定连接，上支撑固定盘（31）上开设有与中空穿线筒（36）连通的导线孔（28），中空穿线筒（36）下部固定套设有下固定圆盘（37），下固定圆盘（37）上开设有第一传动孔（30），中空底部筒体（26）的上端面上开设有与第一传动孔（30）相配合的第二传动孔（38），中空底部筒体（26）的侧壁上开设有第三传动孔（35）；
上支撑固定盘（31）顶部固定安装有载物平台（1）；
载物平台（1）中，平台体（14）中央开设有载物圆孔（13），载物圆孔（13）下方的平台体（14）内填充有超声诱导层（16），超声诱导层（16）中埋设有压电陶瓷换能片（15），压电陶瓷换能片（15）的引线（18）与超声前驱信号线（27）一端连接，超声前驱信号线（27）另一端穿过导线孔（28）、中空穿线筒（36）进入中空底部筒体（26）后经侧壁穿出与外部超声前驱信号源（33）连接，上支撑固定盘（31）与下固定圆盘（37）之间的中空穿线筒（36）上固定套设有环形导线圈（29），导线（39）一端与环形导线圈（29）连接，导线（39）另一端伸入中空穿线筒（36）后进入中空底部筒体（26）后经侧壁穿出与外部磁场前驱信号源（32）连接，载物圆孔（13）上方布置有透明介质片（2）；
环形导线外部套设有绕载物平台（1）中心轴旋转的旋转支架（7），旋转支架（7）为上下均未封闭的圆筒体，旋转支架（7）两侧对称设置有旋转臂（5），各旋转臂（5）上方安装有与载物平台（1）相配合的电磁铁（4），各旋转臂（5）内布置有电磁铁电源线（20），电磁铁电源线（20）一端连接有与环形导线圈（29）相配合的取电弹片（23），电磁铁电源线（20）另一端与电磁铁（4）的铁芯（3）连接，旋转支架（7）的底部设置有精密齿轮圈（22），竖向布置的第一传动轴（25）两端各设有上驱动齿轮（21）和下驱动齿轮（40），上驱动齿轮（21）与精密齿轮圈（22）相啮合，下驱动齿轮（40）与设置于横向传动轴（24）一端的驱动齿轮（17）相结合，横向传动轴（24）另一端穿过中空底部筒体（26）侧壁上的第三传动孔（35）并在端头设置有手柄（10）；
除旋转支架（7）部分的内部支撑固定组件外侧套设有底座外壳（6），底座外壳（6）上开设有与超声前驱信号线（27）相配合的超声前驱信号孔（8）和与导线（39）相配合的磁场前驱信号孔（9）。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，其特征在于：平台体（14）为由非磁性固体材料制成的平台体。
3.根据权利要求1所述的一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，其特征在于：底座外壳（6）为由非磁性固体材料制成的外壳。
4.根据权利要求1所述的一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，其特征在于：旋转支架（7）内壁上设置有与内部支撑固定组件相配合的滚珠圈（19）。
5.根据权利要求1所述的一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，其特征在于：中空底部筒体（26）底部设置有放置横向传动轴（24）的支撑立杆（34）。
6.据权利要求1所述的一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，其特征在于：超声诱导层（16）为采用碎乳胶填充物组成的超声诱导层。
7.据权利要求1所述的一种用于磁纳米马达的声磁双动力驱动装置，其特征在于：载物圆孔（13）的直径为1-20毫米，深度为50微米-1厘米。
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