CN110919634A - 一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，在主永磁铁下方侧方设有下向增强单元和侧向增强单元；所有增强单元均由五块完全一样的增强永磁铁构成，四个增强永磁铁形成具有中心空腔的十字形结构，第五个增强永磁铁一个端面将空腔一个开口封闭以使空腔只有一个开口。下向增强单元开口朝上，主永磁铁安装在下向增强单元上并将开口封闭；侧向增强单元为四个，侧向增强单元开口分别朝向中心并通过增强永磁铁将对应的侧向增强单元空腔开口封闭。本装置能够增强激发磁场的磁场强度，可以提高垂直方向上的磁感应强度，可以减缓磁场衰减对组装高度的限制，从而有利于实现基于微型磁控机器人的组织支架在液体环境下的多层构建。

Description

一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置

技术领域

本发明涉及基于微型磁控机器人的组织支架在液体环境下的多层构建技术，具体涉及一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，属于机器人微操作技术领域。

背景技术

人工组织支架采用多层多孔结构为细胞的新陈代谢提供了一个合适的仿生微环境，但常规的构建方法需要复杂的外围设备和较高的制作成本，还存在直接接触影响细胞的成活率等问题。细胞微载体类似细胞外基质，有连接、支持保护和抗压的作用，还为细胞提供了基本的生命活动场所。在细胞微载体中加入磁性纳米粒子对细胞的影响较小，但可以增加对外部磁场的快速响应特性，通过交联反应合成微型磁控机器人从而提高细胞微载体的可控性。微操作机器人系统可以将机器人操作的准确性、灵活性和高效性带入微型磁控机器人的三维组装中。机器人微操作在空气中可以组装任意高度的三维结构，但为了模拟细胞新陈代谢的原位环境，通常组装在液体环境下进行，但是在液体环境下由于受到流体扰动的影响难以构建稳定的组织支架，同时常规的永磁铁在操作空间的磁场强度微弱且衰减急速，不利于构建多层人工组织支架。

针对上述问题，通过磁引导组装微型磁控机器人在液体环境下构建多层人工组织支架需要具有足够的磁感应强度。为了对微型磁控机器人进行有效的三维操作，需要提供一种强大的激发磁场，这是本领域技术人员的一个研究方向。

发明内容

针对现有技术在液体环境下操作细胞微载体构建人工组织支架的过程中存在磁感应强度微弱、流体扰动影响导致难以精确控制细胞微载体的三维空间位置致使难以组装稳定的组织支架等问题，本发明的目的在于提供一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，本装置能够增强激发磁场的磁场强度，可以提高垂直方向上的磁感应强度，可以减缓磁场衰减对组装高度的限制，从而有利于实现基于微型磁控机器人的组织支架在液体环境下的多层构建。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，包括主永磁铁，其特征在于：在主永磁铁下方设有下向增强单元并通过下向增强单元设有侧向增强单元；

所述下向增强单元和侧向增强单元具有相同的结构，均由五块完全一样的增强永磁铁构成，增强永磁铁为两个端面为正方形的长方体，四个增强永磁铁在同一平面上沿90°对称布置形成十字形结构，十字形的中心为四个增强永磁铁相对的四个正方形端面围合成的具有两个开口的正方体空腔，该四个增强永磁铁为基础增强永磁铁，第五个增强永磁铁的一个正方形端面将正方体空腔两开口中的一个封闭以使正方体空腔只有一个开口；第五个增强永磁铁为扩展增强永磁铁，扩展增强永磁铁另一个正方形端面为扩展端；

下向增强单元的开口朝上，主永磁铁安装在下向增强单元上并将该下向增强单元正方体空腔开口封闭；侧向增强单元为四个，四个侧向增强单元正方体空腔开口分别朝向下向增强单元的四个基础增强永磁铁并通过下向增强单元对应的基础增强永磁铁将对应的侧向增强单元正方体空腔开口封闭。

进一步地，将主永磁铁所在层作为上层，下向增强单元四个基础增强永磁铁所在层作为中间层，下向增强单元扩展增强永磁铁所在层作为下层；分别设置对应的上层永磁铁固定模块、中层永磁铁固定模块和下层永磁铁固定模块；主永磁铁和侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁通过上层永磁铁固定模块上设置的容置腔安装限位；下向增强单元和侧向增强单元上所有位于中层的增强永磁铁通过中层永磁铁固定模块上设置的容置腔安装限位；下向增强单元和侧向增强单元上所有位于下层的增强永磁铁通过下层永磁铁固定模块上设置的容置腔安装限位。通过永磁铁固定模块，能够有效可靠地将永磁铁安装固定。

优选地，主永磁铁和侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁下表面位于同一平面，主永磁铁上表面高于侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁上表面。

所述主永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和30mm；所有增强永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和20mm；

上层永磁铁固定模块的厚度为30mm；上层永磁铁固定模块容置主永磁铁的容置腔贯穿上层永磁铁固定模块上下表面；上层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔仅贯穿上层永磁铁固定模块下表面且深度为20mm；

中层永磁铁固定模块的厚度为15mm；中层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔贯穿中层永磁铁固定模块上下表面；

下层永磁铁固定模块的厚度为30mm；下层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔仅贯穿下层永磁铁固定模块上表面且深度为20mm；

每个容置腔的横截面积与对应容置的永磁铁横截面积对应。

进一步地，主永磁铁的磁化方向向上，下向增强单元和侧向增强单元上的五块增强永磁铁的磁化方向均朝向正方体空腔的中心；或者主永磁铁的磁化方向向下，下向增强单元和侧向增强单元上的五块增强永磁铁的磁化方向均背向正方体空腔的中心。

主永磁铁和增强永磁铁为单独的一块或者多块永磁铁叠加构成。这样使用更灵活。

进一步地，下向增强单元为上下堆叠延展的多个，上面一个下向增强单元的扩展增强永磁铁扩展端将相邻的下面一个下向增强单元的开口封闭；同时每个方向的侧向增强单元为向外堆叠延展的多个，靠近内侧一个侧向增强单元的扩展增强永磁铁扩展端将相邻的靠近外侧一个侧向增强单元的开口封闭；所有侧向增强单元数量相同。通过各个方向的扩展，可以使主永磁铁上表面的磁场满足组织支架更高组装高度的需要。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1）本发明利用永磁铁和永磁铁固定模块组合设计出一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，解决在液体环境下进行细胞微载体操作过程中存在磁感应强度微弱、流体扰动影响导致难以精确控制细胞微载体的三维空间位置从而致使难以组装稳定的组织支架等问题，通过增强垂直方向上的磁感应强度及相应的磁力可以实现基于微型磁控机器人的组织支架在液体环境下的多层构建。

2）本发明利用下向增强单元的增强永磁铁增强磁感应强度，通过设置增强永磁铁的磁化方向朝向中心或者背向中心引导磁场分布从而增强激发磁场，同时结合主永磁铁从而解决常规永磁铁表面中心磁场强度微弱的问题。

3) 本发明利用侧向增强单元的增强永磁铁进一步增强磁感应强度，通过呈树根状多层设置永磁铁解决磁场衰减对组装高度限制的难题。

总之，本发明利用永磁铁和永磁铁固定模块组合设计一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置。通过提供一种强大的激发磁场来解决常规永磁铁表面中心磁场强度微弱和磁场衰减对组装高度的限制问题，在液体环境下利用这种装置结合机器人微操作方法可以构建基于微型磁控机器人的组织支架从而实现细胞微载体的三维组装，可以促进生物医学与机器人学相融合，为组织工程领域研究提供新的手段。

附图说明

图1-本发明实施例所有永磁铁设置示意图。

图2-本发明图1实施例永磁铁爆炸分解示意图。

图3-本发明永磁铁在上层永磁铁固定模块中从下往上安装的示意图。

图4-本发明永磁铁在中层永磁铁固定模块上的安装示意图。

图5-本发明永磁铁在下层永磁铁固定模块上的安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

参见图1-图2，从图上可以看出，本发明一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，包括主永磁铁1，在主永磁铁1下方设有下向增强单元2并通过下向增强单元2设有侧向增强单元3。

参见图2，所述下向增强单元2和侧向增强单元3具有完全相同的结构，均由五块完全一样的增强永磁铁构成，增强永磁铁为两个端面为正方形的长方体，四个增强永磁铁在同一平面上沿90°对称布置形成十字形结构，十字形的中心为四个增强永磁铁相对的四个正方形端面围合成的具有两个开口的正方体空腔7，该四个增强永磁铁为基础增强永磁铁4。第五个增强永磁铁的一个正方形端面将正方体空腔两开口中的一个封闭以使正方体空腔只有一个开口8；第五个增强永磁铁为扩展增强永磁铁5，扩展增强永磁铁5另一个正方形端面为扩展端6。

下向增强单元2的开口8朝上，主永磁铁1安装在下向增强单元2上并将该下向增强单元正方体空腔开口8封闭。侧向增强单元3为四个，四个侧向增强单元3正方体空腔开口8分别朝向下向增强单元的四个基础增强永磁铁4并通过下向增强单元对应的基础增强永磁铁4将对应的侧向增强单元正方体空腔开口8封闭。由于下向增强单元2和侧向增强单元3具有完全相同的结构，所以两者只是朝向不同而已。如果以下向增强单元2为基准，侧向增强单元3就是在下向增强单元的基础上转动90°并使开口朝向中心。

本发明的目的主要是增强主永磁铁上表面的磁场强度，磁场强度增强后，再在主永磁铁上弱磁场区域设置矩阵布置的竖直软磁铁丝，使磁感应强度呈矩阵分布，具体设置及原理可以参见申请人之前申请的申请号为“2019102672557”、发明创造名称为“一种引导磁感应强度点阵状分布的装置”发明专利。在此不赘述。

在考虑磁漏和最大磁化强度等实际情况下，通过下向增强单元的增强永磁铁的磁场强度在主永磁铁下方密闭空间的汇聚，结合侧向增强单元的增强永磁铁的进一步增强效果，根据磁场叠加原理和磁场回路可以显著增强主永磁铁表面的磁场强度。

为了实现各永磁铁的可靠安装定位，本发明设置了永磁铁固定模块。为便于永磁铁固定模块的设置和加工，将主永磁铁所在层作为上层，下向增强单元四个基础增强永磁铁所在层作为中间层，下向增强单元扩展增强永磁铁所在层作为下层；分别设置对应的上层永磁铁固定模块9、中层永磁铁固定模块10和下层永磁铁固定模块11；主永磁铁1和侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁通过上层永磁铁固定模块9上设置的容置腔12安装限位；下向增强单元和侧向增强单元上所有位于中层的增强永磁铁通过中层永磁铁固定模块10上设置的容置腔12安装限位；下向增强单元和侧向增强单元上所有位于下层的增强永磁铁通过下层永磁铁固定模块11上设置的容置腔12安装限位。上层永磁铁固定模块9安装在中层永磁铁固定模块10上表面，主永磁铁1中心对应中层永磁铁固定模块10中心，中层永磁铁固定模块10安装在下层永磁铁固定模块11上表面，中层永磁铁固定模块10中心对应下层永磁铁固定模块11中心。

永磁铁固定模块按层设置，而不是按增强单元结构特点设置，这样各层永磁铁固定模块就是普通的矩形块，在矩形块上加工对应的容置腔即可，然后各层永磁铁固定模块依次叠放起来即可，加工简单，安装也便捷。容置腔根据需要两面贯穿或者单面贯穿，通常中间层两面贯穿，上层和下层靠外一面不贯穿，这样中间层的永磁铁除了中间层的容置腔进行四边限位外，上下层的固定模块对中间层永磁铁的上下表面限位，从而六个面都得到限位。

考虑到磁引导操作空间的有限性，通常期望在主永磁铁的上表面进行相关操作，如果侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁上表面高于或者等于主永磁铁的上表面会对磁引导操作产生来自周围的不利影响，因此，为了便于组装操作和装置加工，主永磁铁和侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁下表面位于同一平面，主永磁铁上表面高于侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁上表面，这样在整个装置的上表面就只露出主永磁铁的上表面。

所述主永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和30mm；所有增强永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和20mm。

主永磁铁和增强单元的每块增强永磁铁既可以是单独的一块，也可以是多块永磁铁叠加构成。比如主永磁铁长、宽、高为15mm、15mm和30mm，一方面可以是10片15mm×15mm×3cm的片状永磁铁叠加；另一方面也可以是单独一块15mm×15mm×30cm的永磁铁的增强效果，或者与两块或更多块15mm×15mm×30cm尺寸的永磁铁首尾连接，也可以获得类似的增强效果，只是磁场的增强效果更大。

上层永磁铁固定模块9的厚度为30mm；上层永磁铁固定模块容置主永磁铁的容置腔贯穿上层永磁铁固定模块上下表面；上层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔仅贯穿上层永磁铁固定模块下表面且深度为20mm。即位于上层的增强永磁铁由容置腔的四面侧壁和顶面限位，顶面有10mm的壁厚。

中层永磁铁固定模块10的厚度为15mm；中层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔贯穿中层永磁铁固定模块上下表面。虽然中层对应的增强永磁铁长、宽、高也是15mm、15mm和20mm，但相对于上层的竖直放置（高度20mm），中层对应的增强永磁铁为卧放，高度就是15mm，所以只需要厚度为15mm的永磁铁固定模块即可。

下层永磁铁固定模块11的厚度为30mm；下层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔仅贯穿下层永磁铁固定模块上表面且深度为20mm。即位于下层的增强永磁铁由容置腔的四面侧壁和底面限位，底面有10mm的壁厚。

每个容置腔的横截面积与对应容置的永磁铁横截面积对应，防止增强永磁铁放置在容置腔后左右晃动以实现可靠定位。自然条件下永磁铁之间会由于同极互相排斥，异极互相吸引从而导致无法控制它们之间的距离和姿态，设置容置腔的目的就是强行将永磁铁按期望排列，通过限位让它们有序排列从而改变磁场分布。

本发明主永磁铁的磁化方向向上，即北极向上；下向增强单元和侧向增强单元上的五块增强永磁铁的磁化方向均朝向正方体空腔的中心，即北极朝向正方体空腔的中心。或者主永磁铁的磁化方向向下，即南极向上；下向增强单元和侧向增强单元上的五块增强永磁铁的磁化方向均背向正方体空腔的中心，即南极朝向正方体空腔的中心。

根据磁感应强度增强的需要，下向增强单元2可以是一个，也可以为上下堆叠延展的多个，上面一个下向增强单元的扩展增强永磁铁扩展端6将相邻的下面一个下向增强单元的开口8封闭，并可以根据这个模式不断叠加增强。

同样的道理，每个方向的侧向增强单元3可以是一个，也可以为向外堆叠延展的多个，靠近内侧一个侧向增强单元的扩展增强永磁铁扩展端6将相邻的靠近外侧一个侧向增强单元的开口8封闭，并可以根据这个模式不断叠加增强；所有侧向增强单元3数量相同。

即本发明可以在第一个下向增强单元2和四个侧向增强单元3上不断扩展，但也只能在这五个方向上扩展，相当于前、后、左、右和下方延展。五个方向延展的增强单元相当于五根树根，所以本发明称之为呈树根状多层设置。

作为具体实施例，以只有一个下向增强单元和四个侧向增强单元为例，实际设计中，主永磁铁1长、宽、高分别为15mm、15mm和30mm；其他增强永磁铁长、宽、高分别均为15mm、15mm和20mm。上层永磁铁固定模块9的长、宽、高分别为130mm、130mm和30mm，上层永磁铁固定模块9具有五个容置腔12，中心为主永磁铁容置腔，主永磁铁容置腔周围为四个侧向增强单元中朝上的增强永磁铁容置腔，可以参见图3。

中层永磁铁固定模块10的长、宽、高分别为130mm、130mm和15mm。中层永磁铁固定模块10具有十六个容置腔12，包括下向增强单元四个基础增强永磁铁对应的容置腔和四个侧向增强单元中三个位于中层的增强永磁铁对应的容置腔，可以参见图4。

下层永磁铁固定模块11的长、宽、高分别为130mm、130mm和30mm。下层永磁铁固定模块11具有五个容置腔12，与上层永磁铁固定模块9的五个容置腔一一上下正对。中心为下向增强单元的扩展永磁铁对应的容置腔，中心容置腔周围为四个侧向增强单元中朝下的增强永磁铁对应的容置腔，可以参见图5。

微型磁控机器人利用本装置按如下方法在液体环境下构建多层组织支架：

首先，在微操作机器人系统下大量的微型磁控机器人（即磁性纳米微载体）被放置在永磁铁中心上部，通过控制微操作机器人的运动设置微型磁控机器人的位置，结合磁引导构建第一层组织支架。接着，在第一层的顶部采用相同的方法构建第二层组织支架。最后通过机器人微操作和磁引导将微型磁控机器人布置到期望的三维空间位置，从而形成具有高孔隙率的多层多孔人工组织支架。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，包括主永磁铁，其特征在于：在主永磁铁下方设有下向增强单元并通过下向增强单元设有侧向增强单元；

所述下向增强单元和侧向增强单元具有相同的结构，均由五块完全一样的增强永磁铁构成，增强永磁铁为两个端面为正方形的长方体，四个增强永磁铁在同一平面上沿90°对称布置形成十字形结构，十字形的中心为四个增强永磁铁相对的四个正方形端面围合成的具有两个开口的正方体空腔，该四个增强永磁铁为基础增强永磁铁，第五个增强永磁铁的一个正方形端面将正方体空腔两开口中的一个封闭以使正方体空腔只有一个开口；第五个增强永磁铁为扩展增强永磁铁，扩展增强永磁铁另一个正方形端面为扩展端；

下向增强单元的开口朝上，主永磁铁安装在下向增强单元上并将该下向增强单元正方体空腔开口封闭；侧向增强单元为四个，四个侧向增强单元正方体空腔开口分别朝向下向增强单元的四个基础增强永磁铁并通过下向增强单元对应的基础增强永磁铁将对应的侧向增强单元正方体空腔开口封闭。

2.根据权利要求1所述的一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，其特征在于：将主永磁铁所在层作为上层，下向增强单元四个基础增强永磁铁所在层作为中间层，下向增强单元扩展增强永磁铁所在层作为下层；分别设置对应的上层永磁铁固定模块、中层永磁铁固定模块和下层永磁铁固定模块；主永磁铁和侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁通过上层永磁铁固定模块上设置的容置腔安装限位；下向增强单元和侧向增强单元上所有位于中层的增强永磁铁通过中层永磁铁固定模块上设置的容置腔安装限位；下向增强单元和侧向增强单元上所有位于下层的增强永磁铁通过下层永磁铁固定模块上设置的容置腔安装限位。

3.根据权利要求2所述的一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，其特征在于：主永磁铁和侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁下表面位于同一平面，主永磁铁上表面高于侧向增强单元上所有位于上层的增强永磁铁上表面。

4.根据权利要求3所述的一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，其特征在于：所述主永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和30mm；所有增强永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和20mm；

上层永磁铁固定模块的厚度为30mm；上层永磁铁固定模块容置主永磁铁的容置腔贯穿上层永磁铁固定模块上下表面；上层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔仅贯穿上层永磁铁固定模块下表面且深度为20mm；

中层永磁铁固定模块的厚度为15mm；中层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔贯穿中层永磁铁固定模块上下表面；

下层永磁铁固定模块的厚度为30mm；下层永磁铁固定模块容置该层增强永磁铁的容置腔仅贯穿下层永磁铁固定模块上表面且深度为20mm；

每个容置腔的横截面积与对应容置的永磁铁横截面积对应。

5.根据权利要求1所述的一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，其特征在于：主永磁铁的磁化方向向上，下向增强单元和侧向增强单元上的五块增强永磁铁的磁化方向均朝向正方体空腔的中心；或者主永磁铁的磁化方向向下，下向增强单元和侧向增强单元上的五块增强永磁铁的磁化方向均背向正方体空腔的中心。

6.根据权利要求1所述的一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，其特征在于：主永磁铁和增强永磁铁为单独的一块或者多块永磁铁叠加构成。

7.根据权利要求1所述的一种呈树根状多层设置永磁铁增强磁感应强度的装置，其特征在于：下向增强单元为上下堆叠延展的多个，上面一个下向增强单元的扩展增强永磁铁扩展端将相邻的下面一个下向增强单元的开口封闭；

每个方向的侧向增强单元为向外堆叠延展的多个，靠近内侧一个侧向增强单元的扩展增强永磁铁扩展端将相邻的靠近外侧一个侧向增强单元的开口封闭；所有侧向增强单元数量相同。

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