CN109956321A - 基于磁力驱动的微小目标抓取装置及其制备与抓取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于磁力驱动的微小目标抓取装置及其制备与抓取方法，该装置通过改变电磁铁与抓取装置之间的距离及改变电磁铁通电电流能够对微小目标提供大小可控的抓取力，进而准确抓取微小目标；制备该装置时，对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段长度相等且具备细长尖端的短毛细玻璃管，作为末端执行器，其尖端与微小目标接触，作为末端执行器的接触端，将设定末端执行器的尖端充满磁性纳米粒子获得具有磁性的末端执行器并弯折尖端；使用该装置抓取时，两根末端执行器相对放置，且弯折面相对；与电磁铁磁性相同的末端执行器靠近电磁铁放置；所述电磁铁产生磁场，以驱动两个所述末端执行器相向移动，通过两个所述末端执行器的尖端夹持所述微小目标。

Description

基于磁力驱动的微小目标抓取装置及其制备与抓取方法
技术领域
本发明涉及微纳米操作技术领域，具体涉及一种基于磁力驱动的微小目标抓取装置及其制备与抓取方法。
背景技术
随着微纳米技术的迅速发展，科技领域对精密操作的精度要求已经越来越高，精密操作的对象已经达到纳米级尺度。这种微纳米级的操作在单细胞操作中起着越来越重要的作用。对微小目标进行操作的过程中，抓取目标是整个操作过程很重要的一部分工作。在宏观世界里对物体的抓取很容易控制，而在微纳米尺度下，操作目标非常小，一般的操作器对细胞的抓取只是考虑到把目标夹紧，而在夹紧的过程中夹紧力的控制变得非常重要。
目前，常用的微纳米操作平台主要包括接触式操作平台和非接触式操作平台。接触式操作是直接对目标物理作用，我们用的最多的是机械接触式操作和液压接触式操作；非接触式操作是利用远程力或局部能量场，如利用静电力、光场力、超声波力和磁场力等实现非接触操作。因为要考虑微小目标的性质，所以在保证微小目标表面活性的基础上抓取力的变化很难控制。例如，当我们对一些生物材料等微小目标(比如细胞)进行抓取时，细胞的表面活性很脆弱，在夹紧细胞的过程中形态很容易受到损伤，夹紧细胞时力度太小不能有效的夹持，力度太大又会破坏细胞的表面活性。要想在微纳米尺度下对目标进行有效的抓取，首先要考虑的是抓取目标能承受的力的大小，然后在抓取目标能承受的力的范围内对目标进行夹紧，最后对目标进行抓取。
因此，我们需要一种在微尺度范围内简单、有效的新型装置和方法来实现对微小目标的准确抓取。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于磁力驱动的微小目标抓取装置及其制备与抓取方法，通过改变电磁铁与抓取装置之间的距离及改变电磁铁通电电流能够对微小目标提供大小可控的抓取力，进而准确抓取微小目标。
本发明中抓取装置的技术方案为：基于磁力驱动的微小目标抓取装置，包括电磁铁和两根具有磁性的末端执行器，两根末端执行器的磁性相反；所述末端执行器一端为尖端，且在尖端处弯折设定角度；
使用时，两根末端执行器相对放置，且弯折面相对；与电磁铁磁性相同的末端执行器靠近电磁铁放置；所述电磁铁产生磁场，以驱动两个所述末端执行器相向移动，通过两个所述末端执行器的尖端夹持所述微小目标。
作为一种优选方案，所述末端执行器为一端具有尖端的毛细玻璃管；毛细玻璃管的尖端设定长度范围内填充有顺磁性纳米粒子，通过磁化所述顺磁性纳米粒子，使所述末端执行器具有磁性。
本发明中抓取装置的技术方案为：基于磁力驱动的微小目标抓取装置，其特征在于，包括电磁铁和两根末端执行器，其中一根末端执行器具有磁性，另一根末端执行器没有磁性；所述末端执行器一端为尖端，且在尖端处弯折设定角度；所述电磁铁用于产生磁场，以驱动具有磁性的所述末端执行器移动；
使用时，两根末端执行器相对放置，且弯折面相对；不具磁性的末端执行器靠近电磁铁放置；通过两个所述末端执行器的尖端夹持所述微小目标。
作为一种优选方案，所述末端执行器为一端具有尖端的毛细玻璃管；将其中一根毛细玻璃管的尖端设定长度范围内填充有磁性纳米粒子。
作为一种优选方案，所述磁性纳米粒子为顺磁性纳米粒子或磁性颗粒。
本发明中抓取装置的制备方法的技术方案为：基于磁力驱动的微小目标抓取装置的制备方法，其特征在于，所述微小目标抓取装置为权利要求2所述的抓取装置，包括如下步骤：
步骤一：将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加沿管轴线向外的拉力，在施加拉力的同时对毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段长度相等且具备细长尖端的短毛细玻璃管，作为末端执行器，其尖端与微小目标接触，作为末端执行器的接触端；
步骤二：取步骤一中所获得的两根末端执行器，向每根末端执行器中注入顺磁性纳米粒子，将顺磁性纳米粒子充满末端执行器的尖端的设定长度范围内；
步骤三：对步骤二中注入的顺磁性纳米粒子固化；
步骤四：将步骤三中固化好的末端执行器放在设定强度的脉冲磁场中磁化，使两根末端执行器的磁性方向相反；
步骤五：将步骤四中磁化后的两根末端执行器在其末端设定位置处进行加热弯折，弯折方向朝向两根末端执行器的相对面。
本发明中抓取装置的抓取方法的技术方案为：基于磁力驱动的微小目标抓取装置的抓取方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的抓取装置，将两根末端执行器放在所述电磁铁产生的磁场中并使微小目标处于两根末端执行器的弯折处的相对面之间，两根末端执行器在磁力的驱动下相对运动，通过其尖端夹取微小目标；
调整电磁铁和与其相邻的末端执行器之间的距离或调整电磁铁的通电电流大小，能够调整末端执行器抓取微小目标的抓取力大小。
本发明中抓取装置的制备方法的技术方案为：基于磁力驱动的微小目标抓取装置的制备方法，其特征在于，所述微小目标抓取装置为权利要求4所述的抓取装置，包括如下步骤：
步骤一：将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加沿管轴线向外的拉力，在施加拉力的同时对毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段长度相等且具备细长尖端的短毛细玻璃管，作为末端执行器，其尖端与微小目标接触，作为末端执行器的接触端；
步骤二：取步骤一中所获得的两根末端执行器，向其中一根末端执行器注入磁性纳米粒子，将磁性纳米粒子充满末端执行器的尖端的设定长度范围内；
步骤三：对步骤二中注入磁性纳米粒子的末端执行器固化；
步骤四：将未注入磁性纳米粒子的末端执行器和步骤三中固化后的末端执行器分别在其末端设定位置处进行加热弯折，弯折方向朝向两根末端执行器的相对面。
本发明中抓取装置的抓取方法的技术方案为：基于磁力驱动的微小目标抓取装置的抓取方法，其特征在于，使用权利要求4或5所述的抓取装置，将弯折后的两根末端执行器放在磁场中并使微小目标处于两根末端执行器的弯折处的相对面之间，使未注入磁性纳米粒子的末端执行器位于注入磁性纳米粒子的末端执行器和电磁铁之间，其中，注入磁性纳米粒子的末端执行器在其内的磁性纳米粒子受磁力的作用下向未注入磁性纳米粒子的末端执行器靠近，用于夹取微小目标；
调整电磁铁和与其相邻的末端执行器之间的距离以及调整电磁铁的通电电流大小用于调整末端执行器抓取微小目标的抓取力大小。
作为一种优选方案，所述末端执行器尖端处的弯折角度为30°-75°。
有益效果：
(1)本发明所提供的抓取装置结构简单，抓取装置的制备方法简单，抓取装置的抓取方法具有控制操作简单、控制操作力的精度高、应用方便的优势，实现了末端执行器对微小目标的准确操作，同时操作效率显著提高。
附图说明
图1为毛细玻璃管进行拉伸熔断前的示意图。
图2为毛细玻璃管拉伸熔断后形成的两段等长且具备细长尖端的末端执行器的示意图。
图3为注入顺磁性纳米粒子并固化和磁化后的末端执行器的示意图。
图4为对图3中末端执行器末端设定位置处进行加热弯曲的示意图。
图5为磁力驱动抓取微小目标的示意图A。
图6为对一个末端执行器注入永磁颗粒并固化后的末端执行器示意图。
图7为对图6中末端执行器末端设定位置处进行加热弯曲的示意图。
图8为磁力驱动抓取微小目标的示意图B。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种基于磁力驱动的微小目标抓取装置及其制备与抓取方法，通过改变电磁铁与抓取装置之间的距离及改变电磁铁通电电流能够对微小目标提供大小可控的抓取力，进而准确抓取微小目标。
实施例1：
如图1-5所示，本实施例的抓取装置包括用于产生磁场的电磁铁和两根磁化后的末端执行器，两根磁化后的末端执行器的磁性相反，末端执行器为一端具有尖端的毛细玻璃管，且在尖端设定位置处弯折一定角度；毛细玻璃管的尖端设定长度范围内填充有顺磁性纳米粒子；两根磁化后的末端执行器外形和尺寸一致。
使用时，两根磁化后的末端执行器相对放置，且弯折面相对；与电磁铁磁性相同的末端执行器靠近电磁铁放置。
上述抓取装置的制备方法如下：
步骤一：将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加沿管轴线向外的拉力，在施加拉力的同时对毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段长度相等且具备细长尖端的短毛细玻璃管，作为末端执行器，其尖端与微小目标(操作对象)接触，作为末端执行器的接触端。
步骤二：取步骤一中所获得的两根末端执行器，向每根末端执行器中注入顺磁性纳米粒子，将顺磁性纳米粒子充满末端执行器的尖端的设定长度范围内。
步骤三：对步骤二中注入的顺磁性纳米粒子用SU-8光刻胶固化。
步骤四：将步骤三中固化好的末端执行器放在设定强度的脉冲磁场中磁化，使两根末端执行器的磁性方向相反。
步骤五：将步骤四中磁化后的两根末端执行器在其末端设定位置处进行加热处理后弯折，弯折方向朝向两根末端执行器的相对面，弯折角度为30°-75°。
采用上述抓取装置进行微小目标的抓取方法如下：
将弯折后的两根末端执行器放在电磁铁产生的磁场中并使微小目标处于两根末端执行器的弯折处的相对面之间，两根末端执行器在磁力的作用下相向运动进而夹取微小目标；调整电磁铁和与其相邻的末端执行器之间的距离或调整电磁铁的通电电流大小能够调整末端执行器抓取微小目标的抓取力大小。
实施例2：
如图1-2和图6-8所示，本实施例的抓取装置包括电磁铁和两根末端执行器，电磁铁用于产生磁场，末端执行器为一端具有尖端的毛细玻璃管，且在尖端处弯折一定角度；其中一根末端执行器的尖端设定长度范围内充满顺磁性纳米粒子。
使用时，两根末端执行器相对放置，且弯折面相对；未充入顺磁性纳米粒子的末端执行器靠近电磁铁放置。
上述抓取装置的制备抓取方法如下：
步骤一：将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加沿管轴线向外的拉力，在施加拉力的同时对毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段长度相等且具备细长尖端的短毛细玻璃管，作为末端执行器，其尖端与微小目标(操作对象)接触，作为末端执行器的接触端。
步骤二：取步骤一中所获得的两根末端执行器，向其中一根末端执行器注入顺磁性纳米粒子，将顺磁性纳米粒子充满末端执行器的尖端的设定长度范围内。
步骤三：对步骤二中注入顺磁性纳米粒子的末端执行器用SU-8光刻胶固化。
步骤四：将未注入顺磁性纳米粒子的末端执行器和步骤三中固化后的末端执行器分别在其末端设定位置处进行加热后弯折，弯折方向朝向两根末端执行器的相对面，弯折角度为30°-75°。
采用上述抓取装置进行微小目标的抓取方法如下：
将弯折后的两根末端执行器放在电磁铁产生的磁场中并使微小目标处于两根末端执行器的弯折处的相对面之间，使未注入顺磁性纳米粒子的末端执行器位于注入顺磁性纳米粒子的末端执行器和电磁铁之间，其中，注入顺磁性纳米粒子的末端执行器在其内的顺磁性纳米粒子受磁力的作用下向未注入顺磁性纳米粒子的末端执行器靠近，用于夹取微小目标；调整电磁铁和与其相邻的末端执行器之间的距离以及调整电磁铁的通电电流大小能够调整末端执行器抓取微小目标的抓取力大小。
实施例3：
如图1-2和图6-8所示，本实施例的抓取装置包括用于产生磁场的电磁铁和两根末端执行器，末端执行器为一端具有尖端的毛细玻璃管，且在尖端处弯折一定角度；，其中，一根末端执行器的尖端设定长度范围内充满磁性颗粒。
使用时，两根末端执行器相对放置，且弯折面相对，未充入磁性颗粒的末端执行器靠近电磁铁放置。
上述抓取装置的制备抓取方法如下：
步骤一：将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加沿管轴线向外的拉力，在施加拉力的同时对毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段长度相等且具备细长尖端的短毛细玻璃管，作为末端执行器，其尖端与微小目标(操作对象)接触，作为末端执行器的接触端。
步骤二：取步骤一中所获得的两根末端执行器，向其中一根末端执行器注入永磁颗粒，将永磁颗粒充满末端执行器的尖端的设定长度范围内。
步骤三：对步骤二中注入永磁颗粒的末端执行器用SU-8光刻胶固化。
步骤四：将未注入永磁颗粒的末端执行器和步骤三中固化后的末端执行器分别在其末端设定位置处进行加热后弯折，弯折方向朝向两根末端执行器的相对面，弯折角度为30°-75°。
采用上述抓取装置进行微小目标的抓取方法如下：
将弯折后的两根末端执行器放在电磁铁产生的磁场中并使微小目标处于两根末端执行器的弯折处的相对面之间，使未注入永磁颗粒的末端执行器位于注入永磁颗粒的末端执行器和电磁铁之间，其中，注入永磁颗粒的末端执行器在其内的永磁颗粒受磁力的作用下向未注入永磁颗粒的末端执行器靠近，用于夹取微小目标；调整电磁铁和与其相邻的末端执行器之间的距离以及调整电磁铁的通电电流大小能够调整末端执行器抓取微小目标的抓取力大小。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于磁力驱动的微小目标抓取装置，其特征在于，包括电磁铁和两根具有磁性的末端执行器，两根末端执行器的磁性相反；所述末端执行器一端为尖端，且在尖端处弯折设定角度；
使用时，两根末端执行器相对放置，且弯折面相对；与电磁铁磁性相同的末端执行器靠近电磁铁放置；所述电磁铁产生磁场，以驱动两个所述末端执行器相向移动，通过两个所述末端执行器的尖端夹持所述微小目标。
2.如权利要求1所述的基于磁力驱动的微小目标抓取装置，其特征在于，所述末端执行器为一端具有尖端的毛细玻璃管；毛细玻璃管的尖端设定长度范围内填充有顺磁性纳米粒子，通过磁化所述顺磁性纳米粒子，使所述末端执行器具有磁性。
3.基于磁力驱动的微小目标抓取装置，其特征在于，包括电磁铁和两根末端执行器，其中一根末端执行器具有磁性，另一根末端执行器没有磁性；所述末端执行器一端为尖端，且在尖端处弯折设定角度；所述电磁铁用于产生磁场，以驱动具有磁性的所述末端执行器移动；
使用时，两根末端执行器相对放置，且弯折面相对；不具磁性的末端执行器靠近电磁铁放置；通过两个所述末端执行器的尖端夹持所述微小目标。
4.如权利要求3所述的基于磁力驱动的微小目标抓取装置，其特征在于，所述末端执行器为一端具有尖端的毛细玻璃管；将其中一根毛细玻璃管的尖端设定长度范围内填充有磁性纳米粒子。
5.如权利要求4所述的基于磁力驱动的微小目标抓取装置，其特征在于，所述磁性纳米粒子为顺磁性纳米粒子或磁性颗粒。
6.基于磁力驱动的微小目标抓取装置的制备方法，其特征在于，所述微小目标抓取装置为权利要求2所述的抓取装置，包括如下步骤：
步骤一：将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加沿管轴线向外的拉力，在施加拉力的同时对毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段长度相等且具备细长尖端的短毛细玻璃管，作为末端执行器，其尖端与微小目标接触，作为末端执行器的接触端；
步骤二：取步骤一中所获得的两根末端执行器，向每根末端执行器中注入顺磁性纳米粒子，将顺磁性纳米粒子充满末端执行器的尖端的设定长度范围内；
步骤三：对步骤二中注入的顺磁性纳米粒子固化；
步骤四：将步骤三中固化好的末端执行器放在设定强度的脉冲磁场中磁化，使两根末端执行器的磁性方向相反；
步骤五：将步骤四中磁化后的两根末端执行器在其末端设定位置处进行加热弯折，弯折方向朝向两根末端执行器的相对面。
7.基于磁力驱动的微小目标抓取装置的抓取方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的抓取装置，将两根末端执行器放在所述电磁铁产生的磁场中并使微小目标处于两根末端执行器的弯折处的相对面之间，两根末端执行器在磁力的驱动下相对运动，通过其尖端夹取微小目标；
调整电磁铁和与其相邻的末端执行器之间的距离或调整电磁铁的通电电流大小，能够调整末端执行器抓取微小目标的抓取力大小。
8.基于磁力驱动的微小目标抓取装置的制备方法，其特征在于，所述微小目标抓取装置为权利要求4所述的抓取装置，包括如下步骤：
步骤一：将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加沿管轴线向外的拉力，在施加拉力的同时对毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段长度相等且具备细长尖端的短毛细玻璃管，作为末端执行器，其尖端与微小目标接触，作为末端执行器的接触端；
步骤二：取步骤一中所获得的两根末端执行器，向其中一根末端执行器注入磁性纳米粒子，将磁性纳米粒子充满末端执行器的尖端的设定长度范围内；
步骤三：对步骤二中注入磁性纳米粒子的末端执行器固化；
步骤四：将未注入磁性纳米粒子的末端执行器和步骤三中固化后的末端执行器分别在其末端设定位置处进行加热弯折，弯折方向朝向两根末端执行器的相对面。
9.基于磁力驱动的微小目标抓取装置的抓取方法，其特征在于，使用权利要求4或5所述的抓取装置，将弯折后的两根末端执行器放在磁场中并使微小目标处于两根末端执行器的弯折处的相对面之间，使未注入磁性纳米粒子的末端执行器位于注入磁性纳米粒子的末端执行器和电磁铁之间，其中，注入磁性纳米粒子的末端执行器在其内的磁性纳米粒子受磁力的作用下向未注入磁性纳米粒子的末端执行器靠近，用于夹取微小目标；
调整电磁铁和与其相邻的末端执行器之间的距离以及调整电磁铁的通电电流大小用于调整末端执行器抓取微小目标的抓取力大小。
10.如权利要求1或3所述的基于磁力驱动的微小目标抓取装置，其特征在于，所述末端执行器尖端处的弯折角度为30°-75°。
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