CN108303793A - 一种用于移动和旋转微小球状物体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，利用振动机构的振动带动置入水中的玻璃针高速旋转从而在水中引起涡流，最终达到对微小球状物体进行移动和旋转的目的；对比已有的利用微操作机械手操作微小球状物体的系统，本申请不与微小球状物体进行机械接触，避免了对微小球状物体的直接或间接的损害，且玻璃针末端可在原位对微小球状物体进行连续的旋转，易于将微小球状物体控制在视野范围内，便于观察；对比已有的在微流控芯片内操作微小球状物体的系统，本申请不受操作任务和微小球状物体大小的限制，操作灵活性强。

Description

一种用于移动和旋转微小球状物体的装置及方法

技术领域

本发明属于微纳操作技术领域，尤其涉及一种用于移动和旋转微小球状物 体的装置及方法。

背景技术

随着微纳米技术的迅速发展，显微操作技术在制造复杂机构以及单细胞操 作中起着越来越重要的作用。微小球状物体的旋转是显微操作中最基本最重要 的操作技术，细胞的显微注射和微结构的组装都需要对目标进行多自由度旋转 和定向，以调整姿态来适应相应的操作。因此寻找一种在微尺度范围内简单、 高效、连续的旋转方法至关重要。

目前存在的用于旋转的微操作技术主要有多自由度的微操作机械手对微小 球状物体进行的旋转操作，利用磁驱动、光镊等方式对微小球状物体进行旋转 操作等方面。多自由度的微操作机械手的工作基于微观之间的机械接触,要实现 对末端执行器和微小球状物体精确运动的控制一般需要复杂的机械结构，而且 这种操作要通过显微镜来获得图像，但显微镜的视野极为有限，所以操作末端 旋转很容易移出显微镜视野，旋转角度受到了限制。另外如果操作对象是细胞， 那么由于微操作机械手与细胞之间的直接接触会产生粘附力，从而使有效释放 变得非常困难，而且直接接触还会对细胞造成一定的机械损害。

而利用磁驱动、光镊等方式对细胞进行的旋转操作，虽然避免了以上的弊 端，但因为操作介质的原因会造成对微小球状物体的潜在损害，限制这些方法 的使用。另外现在流行的微流控芯片对微小球状物体的旋转操作，通常用流体 充当介质，并提供一个非接触式显微操作环境。流场在通道内提供驱动力，它 不会对微小球状物体造成任何额外的损害，在生物显微操作中显示出巨大的潜 力。然而，微流控芯片的结构受限于确定操作和目标，一旦操作目标或任务改 变，就需要对微流体装置进行重新设计，操作灵活性差。

综上所述，目前现有的用于旋转的微操作技术已经越来越不能满足微纳米 技术发展的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于移动和旋转微小球状物体的装置及 方法，通过玻璃针的振动使水中形成涡流，从而带动微小球状物体移动和/或旋 转，有效解决接触式微操作运动控制的复杂性、直接接触对于微小球状物体造 成损害的问题。

一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，包括三坐标操作平台1、手动平 台2、金属棒3、振动机构4以及玻璃针6；所述金属棒3一端固定在手动平台 2上，另一端与振动机构4相连；所述玻璃针6与振动机构4远离金属棒3的一 端连接，且玻璃针6的针尖置于水滴7中；

所述手动平台2固定在三坐标操作平台1上，其中三坐标操作平台1用于 调节手动平台2的位置；

所述振动机构4用于产生振动，使玻璃针6的针尖振动轨迹为圆形；

所述玻璃针6用于通过自身振动使水滴7中形成涡流，从而带动位于水滴7 中的微小球状物体8进行移动和旋转。

可选地，所述金属棒3和玻璃针6分别垂直连接在振动机构4的两端。

可选地，所述振动机构4包括压电致动器和压电驱动器；

所述金属棒3和玻璃针6分别连接在压电致动器的两端；所述压电驱动器 用于给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。

可选地，一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，还包括金属连接件5， 所述玻璃针6通过金属连接件5与振动机构4连接。

一种用于移动和旋转微小球状物体的方法，应用于一种用于移动和旋转微 小球状物体的装置，包括以下步骤：

将微小球状物体8放入水滴7中，并将包含微小球状物体8的水滴7通过 载玻片置于显微镜的视野中；

调节手动平台2，将玻璃针6的针尖置入水滴7，其中所述针尖不接触微小 球状物体8；

使振动机构4产生振动，从而带动玻璃针6的针尖进行圆周振动，进而在 玻璃针6的针尖周围产生涡流；

调节三坐标操作平台1，使玻璃针6产生位移，从而改变所述涡流的位置， 进而由涡流带动微小球状物体8移动和/或旋转。

可选地，所述金属棒3和玻璃针6分别垂直连接在振动机构4的两端。

可选地，所述手动平台2固定在三坐标操作平台1上，通过三坐标操作平 台1调节手动平台2的位置。

可选地，所述玻璃针6通过金属连接件5与振动机构4连接。

可选地，所述振动机构4包括压电致动器和压电驱动器，则使振动机构4 产生振动包括：

通过压电驱动器给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。

有益效果：

本申请提供一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，利用振动机构的振 动带动置入水中的玻璃针高速旋转从而在水中引起涡流，最终达到对微小球状 物体进行移动和旋转的目的；对比已有的利用微操作机械手操作微小球状物体 的系统，本申请不与微小球状物体进行机械接触，避免了对微小球状物体的直 接或间接的损害，且玻璃针末端可在原位对微小球状物体进行连续的旋转，易 于将微小球状物体控制在视野范围内，便于观察；对比已有的在微流控芯片内 操作微小球状物体的系统，本申请不受操作任务和微小球状物体大小的限制， 操作灵活性强；

本申请能够有效解决接触式微操作运动控制复杂性的问题、直接接触对于 微小球状物体造成的损害的问题、非接触式微操作方式中由介质导致对微小球 状物体造成潜在损害的问题以及微流控芯片方式的灵活性差的问题，本申请提 供的基于非接触微操作的操作系统，在微小球状物体移动和微小球状物体旋转 操作中显示了很强的优越性和巨大的潜力。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体的装置的结 构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体的装置移动 微小球状物体的原理示意图；

图3为本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体的装置旋转 微小球状物体的原理示意图；

图4为本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体的方法的流 程图；

图5为本申请实施例提供的一种玻璃针与微小球状物体的相对位置示意图；

1-三坐标操作平台、2-手动平台、3-金属棒、4-振动机构、5-金属连接件、 6-玻璃针、7-水滴、8-微小球状物体、9-载玻片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施 例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体的 装置的结构示意图。

一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，包括三坐标操作平台1、手动平 台2、金属棒3、振动机构4、金属连接件5以及玻璃针6；所述手动平台2固 定在三坐标操作平台1上，其中三坐标操作平台1用于调节手动平台2的位置； 所述金属棒3一端固定在手动平台2上，另一端与振动机构4垂直相连；所述 玻璃针6通过金属连接件5与振动机构4远离金属棒3的一端垂直连接，且玻 璃针6的针尖置于水滴7中。

需要说明的是，三坐标操作平台1可以固定在水平面上。其中，三坐标操 作平台1作为整个微纳米操作装置的支撑，还用于粗略调节微纳米操作装置整 体的工作位置，例如可以根据显微镜所在位置任意移动；且三坐标操作平台1 的三个方向上都安装有电机，则可以调节手动平台2的位置，以此实现玻璃针6 的平移。此外，由于金属棒3、振动机构4以及玻璃针6通过连接形成了一个整 体，而金属棒3又固定在手动平台2上，因此手动平台2可以用于对玻璃针6 的位置进行方向及位姿调节，例如，可以沿其在三坐标操作平台1上的安装轴 进行360°旋转，以此调节玻璃针6与载玻片表面的垂直距离以及与微小球状物 体8的相对距离距离和角度。

所述振动机构4用于产生振动，使玻璃针6的针尖振动轨迹为圆形；其中， 所述振动机构4包括压电致动器和压电驱动器；所述金属棒3和玻璃针6分别 垂直连接在压电致动器的两端；所述压电驱动器用于给压电致动器输入正弦电 压信号，使压电致动器产生振动。

需要说明的是，所述正弦电压信号使压电致动器和金属棒3形成共振。由 于玻璃针6振动的位移实际上是金属棒3的位移和压电致动器的位移的矢量和， 因此压电致动器分别与玻璃针6和金属棒3垂直相连，便于控制玻璃针6的振 动轨迹为圆形。

需要说明的是，压电致动器和压电驱动器的安装位置可以相互独立，本申 请实施例对压电驱动器在所述操作系统中的安装位置不作具体限定，只要压电 驱动器能够为压电致动器提供正弦电压信号即可。

可选地，本申请实施例采用的压电致动器长度为20mm，最大位移为 17.2-17.6μm；在其他实施方式中，还可以采用其他长度和最大位移的压电致动 器，本实施例对此不作赘述。

所述玻璃针6用于通过自身振动使水滴7中形成涡流，从而带动位于水滴7 中的微小球状物体8进行移动和旋转。

本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体的装置的工作原理 为：

在压电致动器中输入一定数值和频率的正弦电压信号时，压电致动器会将 电信号转化成机械位移，从而表现出压电致动器沿着自身轴向方向振动。当金 属棒3与压电致动器相连时，金属棒3会与压电致动器一起振动，在大多数情 况下，金属棒3的振动是不规则的，但当输入正弦电压信号的频率接近金属棒3 的共振频率时，金属棒3的振动方向则主要沿着垂直于压电致动器振动的方向。 而与压电致动器相连的另一端，玻璃针6也会发生振动，其振动的位移实际上 是金属棒3的位移和压电致动器的位移的矢量和。玻璃针6振动的轨迹主要受 共振频率的影响，而振动轨迹的幅值受峰值电压的影响。为了在水中能够产生 涡流，需要调整正弦电压信号频率来使金属棒3与压电致动器形成共振，使得 玻璃针6针尖的振动轨迹为圆形，玻璃针6的振动频率为金属棒3与压电致动 器的共振频率。

将振动的玻璃针6放入水滴7中，水会随玻璃针6的圆周振动产生局部流 动，从而产生涡流现象。参见图2，该图为本申请实施例提供的一种用于移动和 旋转微小球状物体的装置移动微小球状物体的原理示意图。微尺度内涡流的高 速旋转会使涡流的中心压力变低，当流体远离涡旋流的中心时流速变低，压力 变高。因此在玻璃针6接近微小球状物体8时，微小球状物体8的不同位置所 受压力会随着其与玻璃针6针尖的距离不同而不同，这个压力差会推动微小球 状物体8沿玻璃针6针尖的方向运动。所以涡流可以实现微尺度内对微小球状 物体8的捕获，并通过控制手动平台2移动玻璃针6来实现对微小球状物体8 的运输，并在可操作范围内，能够将微小球状物体8运送到任意位置。

参见图3，该图为本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体的 装置旋转微小球状物体的原理示意图。随着微小球状物体8的运动，微小球状 物体8会受到阻力的作用，且阻力在微小球状物体8表面的分布也会随流体流 速的增大而增大，阻力的差异可以在微小球状物体8表面上产生驱动力，驱动 力与流速的平方成正比，越靠近振动的玻璃针6，驱动力越大，从而在微小球状 物体8表面产生一个驱动转矩，带动微小球状物体8的连续旋转，其中旋转方 向与玻璃针6的针尖的振动轨迹方向相反。

由此可见，本申请实施例的操作系统主要由金属棒3、振动机构4、金属连 接件5、玻璃针6、手动平台2以及三坐标操作平台1六部分串联组成，且仅由 振动机构4来提供动力，就能实现微小球状物体8的移动和旋转，结构简单、 操作便捷。

实施例二

基于上述实施例，本申请实施例提供一种用于移动和旋转微小球状物体的 方法。参见图4，该图为本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体 的方法的流程图。

一种用于移动和旋转微小球状物体的方法，应用于一种用于移动和旋转微 小球状物体的装置，所述装置包括三坐标操作平台1、手动平台2、金属棒3、 振动机构4以及玻璃针6，包括以下步骤：

S401：将微小球状物体8放入水滴7中，并将包含微小球状物体8的水滴7 通过载玻片9置于显微镜的视野中；

S402：调节手动平台2，将玻璃针6的针尖置入水滴7，其中所述针尖不接 触微小球状物体8；

参见图5，该图为本申请实施例提供的一种玻璃针6与微小球状物体8的相 对位置示意图。为了不损害微小球状物体8，所述针尖除了不接触微小球状物体 8外，玻璃针6的针尖与载玻片9上表面保持一定的距离，并控制玻璃针6的针 尖沿竖直载玻片9方向抬高50μm，防止与载玻片9直接接触，损坏针尖。同时 将玻璃针6针尖置入水滴7中指向视野中心的微小球状物体8附近，由于此时 玻璃针6的针尖也处于显微镜视野中，玻璃针6在小范围内振动时将不会移出 视野范围，便于观察微小球状物体8移动和/或旋转的整个操作过程。

S403：使振动机构4产生振动，从而带动玻璃针6的针尖进行圆周振动， 进而在玻璃针6的针尖周围产生涡流，则所述涡流带动微小球状物体8旋转；

可选地，振动机构4包括压电致动器和压电驱动器，通过压电驱动器给压 电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动，最终由压电致动器带动 玻璃针6进行圆周振动；

在振动机构4包括压电致动器和压电驱动器的情况下，可选地，所述金属 棒3和玻璃针6分别垂直连接在压电驱动器的两端；

在振动机构4包括压电致动器和压电驱动器的情况下，可选地，所述玻璃 针6通过金属连接件5与压电驱动器连接；

S404：调节三坐标操作平台1，使玻璃针6产生位移，从而改变所述涡流的 位置，进而由涡流带动微小球状物体8移动。

本申请实施例提供的一种用于移动和旋转微小球状物体的方法，利用振动 机构的振动带动置入水中的玻璃针6高速旋转从而在水中引起涡流，进而对微 小球状物体8进行移动和/或旋转，最终达到微小球状物体8注射的目的；对比 已有的利用微操作机械手操作微小球状物体8的方法，本申请不与微小球状物 体8进行机械接触，避免了对微小球状物体8的直接或间接的损害，且玻璃针6 末端可在原位对微小球状物体8进行连续的旋转，易于将微小球状物体8控制 在视野范围内，便于观察；对比已有的在微流控芯片内操作微小球状物体8的 方法，本申请不受操作任务和微小球状物体8大小的限制，操作灵活性强。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，其特征在于，包括三坐标操作平台(1)、手动平台(2)、金属棒(3)、振动机构(4)以及玻璃针(6)；所述金属棒(3)一端固定在手动平台(2)上，另一端与振动机构(4)相连；所述玻璃针(6)与振动机构(4)远离金属棒(3)的一端连接，且玻璃针(6)的针尖置于水滴(7)中；

所述手动平台(2)固定在三坐标操作平台(1)上，其中三坐标操作平台(1)用于调节手动平台(2)的位置；

所述振动机构(4)用于产生振动，使玻璃针(6)的针尖振动轨迹为圆形；

所述玻璃针(6)用于通过自身振动使水滴(7)中形成涡流，从而带动位于水滴(7)中的微小球状物体(8)进行移动和旋转。

2.如权利要求1所述的一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，其特征在于，所述金属棒(3)和玻璃针(6)分别垂直连接在振动机构(4)的两端。

3.如权利要求1所述的一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，其特征在于，所述振动机构(4)包括压电致动器和压电驱动器；

所述金属棒(3)和玻璃针(6)分别连接在压电致动器的两端；所述压电驱动器用于给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。

4.如权利要求1所述的一种用于移动和旋转微小球状物体的装置，其特征在于，还包括金属连接件(5)，所述玻璃针(6)通过金属连接件(5)与振动机构(4)连接。

5.一种用于移动和旋转微小球状物体的方法，应用于权利要求1所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

将微小球状物体(8)放入水滴(7)中，并将包含微小球状物体(8)的水滴(7)通过载玻片置于显微镜的视野中；

调节手动平台(2)，将玻璃针(6)的针尖置入水滴(7)，其中所述针尖不接触微小球状物体(8)；

使振动机构(4)产生振动，从而带动玻璃针(6)的针尖进行圆周振动，进而在玻璃针(6)的针尖周围产生涡流，则所述涡流带动微小球状物体(8)旋转；

调节三坐标操作平台(1)，使玻璃针(6)产生位移，从而改变所述涡流的位置，进而由涡流带动微小球状物体(8)移动。

6.如权利要求5所述的一种用于移动和旋转微小球状物体的方法，其特征在于，所述金属棒(3)和玻璃针(6)分别垂直连接在振动机构(4)的两端。

7.如权利要求5所述的一种用于移动和旋转微小球状物体的方法，其特征在于，所述玻璃针(6)通过金属连接件(5)与振动机构(4)连接。

8.如权利要求5所述的一种用于移动和旋转微小球状物体的方法，其特征在于，所述振动机构(4)包括压电致动器和压电驱动器，则使振动机构(4)产生振动包括：

通过压电驱动器给压电致动器输入正弦电压信号，使压电致动器产生振动。