CN108275650A - 一种磁性微纳机器人的磁场控制方法 - Google Patents

一种磁性微纳机器人的磁场控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁性微纳机器人的磁场控制方法,此种磁性微纳米机器人包括位于中间的聚四氟乙烯基底，在聚四氟乙烯基底的两面，分别通过导电银浆连接有钴基底，在两个钴基底的表面，均分布有钴纳米线阵列，所采用的控制装置包括电源、供电电路和电磁线圈，所述电源是提供电磁场装置的激励源；所述供电电路将所述电源的电压分配给电磁线圈，所述电磁线圈包括位于其前后左右的四个子线圈和上下两个子线圈，每个子线圈中间固定有硅钢棒，另外，在上述六个电磁线圈中心，有一个样品台用来放置磁性微纳机器人样品。

Description

一种磁性微纳机器人的磁场控制方法
技术领域
该发明涉及微纳机器人领域，尤其涉及磁场驱动的仿生磁性微米机器人领域。
背景技术
微纳米机器人指的是尺度在微纳米级别(几纳米至几百微米)的小型机器人，在生物医学 和环境保护等领域有非常重要的潜在应用，例如可用于微创外科手术、靶向治疗、细胞操作、 重金属检测、污染物降解等，因此受到国内外研究者的广泛关注，近年来发展迅速。
相比于传统的大型机器人，微纳米机器人的工作环境位于雷诺系数很低的环境中，物体 可看作在一个非常粘滞、微小以及缓慢的环境中运动，粘滞力占主导作用，惯性力则可忽略 不计。在这种条件下，若想驱动微纳米机器人，必须源源不断地为其提供动力。但由于其微 小的尺寸，动力源如电池、发动机等很难装载在微纳米机器人中，因此，各种各样的微纳米 机器人驱动方式被提出，包括自驱动(自电泳驱动、自扩散泳驱动、自热泳驱动、气泡驱动 等方式)和外场驱动(磁场、声场和光驱动)。由于磁场驱动方式磁场强度较低，并且低频 率磁场能够穿透生物组织且对生物体无害，成为微纳米机器人领域的最有前景的驱动方式之 一。因此，如何制备在较低雷诺系数环境下，易于被外部磁场驱动和控制的微纳米机器人及 其控制方法的成为了研究者们研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以在低雷诺系数环境下易于被外部磁场驱动和控制的微纳 米机器人，并给出此种机器人的控制方法。本发明的方案思路来源为对单细胞生物草履虫运 动原理的研究。技术方案如下：
一种磁性微纳机器人的磁场控制方法,此种磁性微纳米机器人包括位于中间的聚四氟乙 烯基底，在聚四氟乙烯基底的两面，分别通过导电银浆连接有钴基底，在两个钴基底的表面， 均分布有钴纳米线阵列，
所采用的控制装置包括电源、供电电路和电磁线圈，所述电源是提供电磁场装置的激励 源；所述供电电路将所述电源的电压分配给电磁线圈，所述电磁线圈包括位于其前后左右的 四个子线圈和上下两个子线圈，每个子线圈中间固定有硅钢棒，另外，在上述六个电磁线圈 中心，有一个样品台用来放置磁性微纳机器人样品；
将上下位置、左右位置、前后位置分为三组子线圈对，子线圈对中的两组线圈产生的磁 场大小相等、方向相同，通过控制通过每个子线圈的电压通断，可以在样品台位置产生方向 和大小各不相同的磁场；
通过对子线圈对的电压大小及周期的控制，在样品台区域产生各种磁场，从而驱动位于 样品台上的磁性微纳米机器人。
与现有技术相比，该微纳米机器人在低雷诺系数环境下易于被外部电磁场驱动和控制， 拓展了微纳米机器人在生物医学和环境保护领域的应用范围。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图， 对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明采用的微纳机器人的结构示意图；
图2为单细胞生物草履虫纤毛示意图；
图3用于驱动磁性纳米机器人的磁场示意图。
附图标记：101-钴基底；102-导电银浆；103-聚四氟乙烯基底；104-钴纳米线；201-草履虫纤毛；202-草履虫身体；301-右侧线圈；302-右侧硅钢棒；303-后侧硅钢棒；304- 后侧线圈；305-左侧线圈；306-左侧硅钢棒；307-前侧线圈；308-前侧硅钢棒；309-样品台；310-上方线圈。
具体实施方式
本发明的方案思路来源为对单细胞生物草履虫运动原理的研究。提供一种可以在低雷诺 系数环境下，易于被外部磁场驱动和控制的微纳米机器人及其制备方法，并提供驱动此种微 纳米机器人的方法。
制备方法如下：
(1)聚四氟乙烯基底和紫铜片基底的清洗：在使用前需要依次采用200mL去离子水、 100mL丙酮、100mL无水乙醇和200mL去离子水对聚四氟乙烯基底(边长20mm)和紫铜片基 底(边长20mm)进行清洗，之后在30℃低温烘干备用。
(2)工作电极的制备：将适量的武德合金(熔点70℃)置于紫铜片上，共同放入烘箱中加热到其熔点(70℃)，继续在此温度环境下，利用石英玻璃边缘将武德合金涂覆均匀，然后将多孔聚碳酸酯模板(圆形，孔径200nm，直径19mm)覆于武德合金上表面，同时保证 所述多孔聚碳酸酯模板与所述武德合金有良好的接触，多孔聚碳酸酯模板的下表面可以被武德合金全部覆盖。取一根细铜线(直径0.8mm)，一端连接紫铜片背面，另一端连接电极夹。利用环氧树脂胶涂覆紫铜片背面及侧面，保证钴离子只能在多孔聚碳酸酯模板孔洞中沉积。
(3)多孔聚碳酸酯模板的孔洞润湿：将工作电极置于所述石英电解槽的电解液中，利 用磁力搅拌仪对电解液进行搅拌3min，使所述电解液中的钴离子进入多孔聚碳酸酯模板孔 洞之中。
(4)钴纳米线104及钴基底101的制备：电解液的组成为：0.63M/L的CoSO4 7H2O与0.65M/L的H3BO3，同时利用H2SO4调节溶液pH＝3。两电极体系是将铂片对电极和工作电极置于石英电解槽电解液中，两电极连接至电源，电源可以提供“正弦交流+恒压直流偏置”、“恒压直流”和“脉冲直流”等输出模式。利用数字多用表以监测沉积电流的变化情况，当 钴纳米线在孔洞中沉积完成后，会继续在所述多孔聚碳酸酯模板上表面沉积，此时沉积电流会出现跃升。因此从沉积电流的变化情况可以得知纳米线的沉积情况。当钴纳米线104已经溢出所述多孔聚碳酸酯模板孔洞开始沉积，并相互之间连接形成所述钴基底101后，继续沉积直到钴基底101厚度达到5微米后停止沉积。
(5)纳米线104及钴基底101的转移：将沉积完成后的钴纳米线104及钴基底101从电解液中取出，低温烘干后，将钴基底101一侧涂覆少量导电银浆，将所述聚四氟乙烯基板置于导电银浆上方，在常温下放置12小时后钴基底101与聚四氟乙烯基板连接牢固，获得中间组合结构。
(6)移除紫铜片及洗除多孔聚碳酸酯模板：将上述中间组合结构放入装有300mL水的 烧杯中，对中间组合结构进行水浴70℃加热，直至覆有武德合金的紫铜片脱落，获得最终 组合结构。将所述最终组合结构置于100mL二氯甲烷中，洗除多孔聚碳酸酯模板，获得所述 钴纳米线、所述钴基底、所述导电银浆和所述聚四氟乙烯基板连为的一体结构，形成一侧的 聚四氟乙烯基板与钴纳米线阵列。
(7)与聚四氟乙烯基底103组合：在形成一侧的聚四氟乙烯基板与钴纳米线阵列后， 另一侧的制备方式相同，构成基于聚四氟乙烯基板的双面钴纳米线阵列。
(8)经过激光切割，将双面钴纳米线阵列切割成800um×200um的长方形，最终获得多 个磁性微纳米机器人。
(9)建立用于磁性微纳米机器人三维空间控制的电磁场装置，包括电源、供电电路和 电磁线圈。电源是提供电磁场装置的激励源。供电电路将所述电源的电压分配给电磁线圈。 电磁线圈包括右侧线圈101、左侧线圈105、后侧线圈104、前侧线圈107、上方线圈110和下方线圈201、右侧硅钢棒102、左侧硅钢棒106、后侧硅钢棒103和前侧硅钢棒108，另 外，在上述六个电磁线圈中心，有一个样品台109用来放置样品。
(10)供电电路一端连接电源，另一端连接六个子线圈，每一路都接入一个可调电阻， 使每一个线圈的分压可调。
(11)通过供电电路控制通过每个子线圈的电压通断，可以在样品台109位置产生方向 和大小各不相同的磁场。为了便于控制与连接导线，同时提高样品台位置磁感线的分布均匀 性，将上下位置、左右位置、前后位置分为三组子线圈对。子线圈对中的两组线圈产生的磁 场大小相等、方向相同。
(12)通过对子线圈对的电压大小及周期的控制，可以在样品台区域产生平面扇形震荡 磁场、脉冲磁场、平面旋转磁场和梯度磁场。
(13)平面扇形震荡磁场：平面扇形震荡磁场可以在水平面产生，也可以在垂直面产生。 如果给左右位置子线圈对和前后位置子线圈对通电，并且二者电压相位相同，则可以在样品 台109所在平台产生扇形震荡磁场；如果给左右位置和上下位置子线圈对通电，并且二者相 位相同，则可以在样品台109所在平台的垂直平面产生扇形震荡磁场。
(14)脉冲磁场：脉冲磁场可由任意一个子线圈对单独产生，通过控制通电与断电时间 即可。
(15)平面旋转磁场：平面旋转磁场由前后位置和左右位置子线圈对产生。对于两个子 线圈对，其中一个子线圈前半周期为恒定正电压，后半周期为恒定负电压，另一个子线圈为 整个周期的正弦电压，即可产生平面旋转磁场。
(16)梯度磁场：梯度磁场可由任意一个子线圈对产生。以左右子线圈对为例，调节左 线圈供电线路可调电阻，使线圈分压降低，则样品台109可以产生梯度磁场。

Claims (1)

1.一种磁性微纳机器人的磁场控制方法,此种磁性微纳米机器人包括位于中间的聚四氟乙烯基底，在聚四氟乙烯基底的两面，分别通过导电银浆连接有钴基底，在两个钴基底的表面，均分布有钴纳米线阵列。所采用的控制装置包括电源、供电电路和电磁线圈，所述电源是提供电磁场装置的激励源；所述供电电路将所述电源的电压分配给电磁线圈，所述电磁线圈包括位于其前后左右的四个子线圈和上下两个子线圈，每个子线圈中间固定有硅钢棒，另外，在上述六个电磁线圈中心，有一个样品台用来放置磁性微纳机器人样品；
将上下位置、左右位置、前后位置分为三组子线圈对，子线圈对中的两组线圈产生的磁场大小相等、方向相同，通过控制通过每个子线圈的电压通断，可以在样品台位置产生方向和大小各不相同的磁场；
通过对子线圈对的电压大小及周期的控制，在样品台区域产生各种磁场，从而驱动位于样品台上的磁性微纳米机器人。
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