CN111267069B - 一种通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法，包括：在基板上设计磁性轨道单元内的磁化方向随外加旋转磁场调控的磁性轨道；向磁性轨道施加外加旋转磁场，调控磁性微纳机器人在磁性轨道上行进或停止。根据磁铁具备同极相斥、异极相吸的特性，通过制备磁性方向随外加磁场调控的磁性轨道，实现同样具备磁性N/S极特性的磁性微纳机器人与轨道之间的相吸或相斥，从而使其沿着轨道实现行进或停止。即各种具有磁性N‑S极特性的磁性微纳机器人可沿基板上的磁轨道行进，通过外加旋转磁场造成轨道上的磁化方向不同，使具有磁性N‑S极特性的微纳机器人因旋转磁场而沿特定磁轨道行进或停止，从而实现磁性微纳机器人及其精准的传输及定位。
Description
技术领域
本发明涉及磁性微纳机器人运行技术领域，更具体的涉及一种通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法。
背景技术
现有微纳尺度下机器人的运动主要通过光控、周围环境pH值变化、交变磁场、温度等控制，其不能实现精准的传输及定位。
发明内容
本发明实施例提供一种通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题。
本发明实施例提供一种通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法，包括：
通过外加旋转磁场来调控磁性轨道单元内的磁化状态；
通过磁性轨道单元内磁化状态的改变与磁性微纳机器人产生同极相斥力与异极相吸力，调控磁性微纳机器人在磁性轨道上行进或停止；
通过磁性轨道单元内磁化状态的翻转磁场或矫顽场大小来调控部分轨道路径通行与不通行。
进一步地，所述磁性基板轨道为固定于基板上一连串排列的磁性轨道单元。
进一步地，通过微纳尺度下的微纳加工技术、3D打印技术、微结构雕刻技术、压印技术，在基板上制备一连串排列的磁性轨道单元。
进一步地，所述磁性轨道单元的形状包括：规则立体形状、不规则立体形状、规则形状薄膜及不规则形状薄膜，其中，所述规则立体形状及规则形状薄膜的横截面为：正三角形或正四角形或圆形或正多边形；所述不规则形状及不规则形状薄膜的横截面为：多曲线构成的形状、或多曲线与多直线构成的形状。
进一步地，所述磁性轨道的轨道路径种类包括：直线形路径、垂直转弯形路径、弧形路径、圆形路径、抛物线形路径中的一种或多种的组合，其中，组合轨道路径通过变换各段路径的角度进行衔接。
进一步地，所述磁性微纳机器人为具有净磁矩或单磁区特性的微纳机器人。
进一步地，所述磁性微纳机器人包括：单层磁性微纳机器人、双层磁性微纳机器人、磁性薄膜堆叠设计的多层磁性微纳机器人、磁性立体形状设计的磁性微纳机器人；
所述双层磁性微纳机器人、所述磁性薄膜堆叠设计的多层磁性微纳机器人、所述磁性立体形状设计的磁性微纳机器人，均采用同种或不同种的磁性材料与部分非磁性材料组合而成。
进一步地，所述磁性微纳机器人能够表面修饰不同种生物分子、细胞或抗体来捕捉、收集或运输特定的分子、抗原、抗体、细胞或小有机体。
进一步地，所述磁性微纳机器人的每步行进距离根据磁性轨道间距和磁性微纳机器人的长度进行调控。
进一步地，所述磁性微纳机器人能够通过磁性轨道单元内磁化状态的翻转磁场或矫顽场大小来调控磁性微纳机器人在部分轨道路径通行与不通行。
本发明实施例提供一种通过基板轨道来控制磁性微纳机器人运行路径的方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明根据磁铁具备同极相斥、异极相吸的特性，通过制备磁性轨道单元内的磁化方向随外加磁场调控的磁性轨道，可实现同样具备磁性N/S极特性的磁性微纳机器人与轨道之间的相吸、或者相斥，从而使其沿着轨道实现行进或停止。即各种具有磁性N-S极特性的磁性微纳机器人可沿基板或导线(或导管)上的磁轨道行进，通过外加旋转磁场造成轨道单元的磁化方向不同，使具有磁性N-S极特性、与生物分子/细胞结合、甚至负载药物的微纳机器人因旋转磁场而沿特定磁轨道行进或停止，每步行进的距离可依磁轨道间距与微纳机器人的长度而定，且每步皆会锚定在薄膜的端点，从而实现磁性微纳机器人及其精准的传输及定位。
附图说明
图1为本发明实施例提供的椭圆磁膜轨道制作流程图；
图2为本发明实施例提供的微纳机器人于旋转磁场下沿椭圆磁膜轨道的移动原理图；
图3为本发明实施例提供的薄膜专车机器人在磁性轨道上行进示意图；
图4为本发明实施例提供的筒状大巴机器人在磁性轨道上行进示意图；
图5为本发明实施例提供的薄膜专车机器人在磁性轨道上行进实物图；
图6为本发明实施例提供的筒状大巴机器人在磁性轨道上行进实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种通过基板轨道来控制磁性微纳机器人运行路径的方法，该方法包括：
步骤1，设计磁性轨道单元内的磁化方向随外加旋转磁场调控的磁性轨道；
步骤2，向磁性轨道施加外加旋转磁场，因外加旋转磁场造成磁性轨道单元的磁化方向改变，通过磁性轨道单元与磁性微纳机器人的同极相斥、异极相吸原理，调控磁性微纳机器人在磁性轨道上行进或停止。
上述技术方案，根据磁铁具备同极相斥、异极相吸的特性，通过制备磁性轨道单元内的磁化状态随外加磁场调控的磁性轨道，可实现同样具备磁性N/S极特性的磁性微纳机器人与轨道之间的相吸、或者相斥，从而使其沿着轨道实现行进或停止。
对于上述步骤1～2的具体说明如下：
磁性轨道的设计概念为利用易于磁化的磁性材料，构成某一种形状的轨道单元，例如：椭圆柱、长方形柱、正方形柱、椭圆薄膜、长方形薄膜、正方形薄膜…等任意形状单元，规则排列成一轨道的形式，并依据需求设计各种可能的轨道路径，例如：直线轨道、垂直转弯的轨道、或弧形的轨道…等各种路径的轨道形式。可利用半导体制程的镀膜、黄光、蚀刻步骤或3D打印技术或雷射雕刻技术等任一种微纳加工技术来制作出任意磁性微纳结构的轨道出来。
本发明实施例中，以椭圆磁膜轨道为例，椭圆磁膜轨道为一连串排列的椭圆形磁膜被固定于基板上，利用椭圆磁膜经外加磁场磁化后，可造成磁性材料内部磁矩随磁场方向改变，当外加的磁场不断地旋转方向时，造成轨道的磁性材料随着外加磁场改变内部的磁化方向，由于轨道单元的磁化方向一直在改变，会使得不易磁化的磁性微纳机器人因与轨道上椭圆磁膜的磁单极互相吸引与排斥，造成磁力矩变化，从而能依轨道排列的设计有序地翻转移动，实现精准的传输及定位。
本发明实施例中，以半导体制备工艺制作椭圆磁膜轨道为例：椭圆磁膜轨道是一连串被固定在基板上排列的椭圆形磁膜。其制备流程为：清洗硅基底；涂覆光阻；定义磁性轨道的图形；镀黏着层及磁性膜材料；举离去除多余光阻、黏着层及磁性膜材料。其具体流程示意图可见图1，依次为图1(a)-(f)。
具备高形状各向异性的铁磁薄膜结构的磁化将受到几何形状的约束，形成磁畴壁。特别是具有单畴特性的磁性薄膜由于其N/S极与磁性载体的相互作吸引/排斥作用，可用于控制磁性载具的运动。其行进原理如图2(a)-(f)所示，主要由磁性微纳机器人(此处以单一椭圆磁性微纳机器人为例)与磁性轨道(此处以椭圆磁膜轨道为例)相互运动而成。利用椭圆磁膜经磁化后可形成类似单扇区的磁性组态，当给予旋转磁场时可使磁性微纳机器人产生磁力矩，并与轨道上的椭圆磁膜的磁单极互相吸引，而能依轨道排列的设计有序地移动并将携带的目标物(细胞)，运输至特定区域。图2(a)为磁性微纳机器人与椭圆磁膜(椭圆磁膜尺寸相同)轨道的初始状态，磁性微纳机器人与椭圆磁膜轨道通过不同极性的端点相吸。当外加旋转磁场方向随着逆时针方向改变时，磁性微纳机器人也随着外加旋转磁场逆时针方向转动，外加磁场造成轨道上椭圆磁膜的磁化状态改变，如图2(b).(c)所示。当磁场旋转接近某个临界角度时，此时磁化状态极不稳定，一旦超过临界角(和易磁化轴方向平行)，轨道上的椭圆磁膜则突然发生翻转，此时椭圆磁膜轨道上两端点的磁极互换，与之前的状态呈现反平行，磁性微纳机器人的另一个端则吸附至磁性轨道上，如图2(d)所示。外加磁场继续旋转方向，磁性微纳机器人即可依同样形式向前翻转移动，如图2(e)(f)所示。
磁性微纳机器人与细胞可通过采取化学性专一性结合或是物理性磁吸附的方式进行。化学性专一性结合：先在磁性微结构上镀一层金膜，举离后再将金膜以强酸清洗液清洗结构表面。
在金膜表面渐渐修饰上一层MUA自组装层(SAM)，完成第一阶段的表面修饰。接着将Anti-rab-Fc抗体键结于SAM上，形成肽键，即将抗体以化学键固定其上。最终将EpCAM抗原(antigen EpCAM,Epithelial cell adhesion molecule,上皮细胞黏着分子)键结到将镶有anti-rab-Fc的金膜表面，即可得到对EpCAM拥有专一性的悬浮磁性微结构，可用于捕捉带有EpCAM的细胞。物理性磁吸附方式：让悬浮的磁性微结构与磁细胞相结合，从而将磁细胞定位进行细胞图样化排列。因此，需要先合成磁纳米颗粒，再将磁性纳米颗粒与细胞共同培养，培养出磁性细胞。
依据磁性轨道的设计构想，可以有多种应用的实例，但磁性轨道的应用不限于以下的方式。
实施例1：薄膜专车机器人的应用实例
椭圆片状的磁性微纳机器人随着旋转磁场的带动沿着磁轨道移动，通过轨道的设计，磁性微纳机器人可精确移动到芯片上的任意特定位置，其中设计了一垂直的轨道形式，见图3所示，此椭圆片状的磁性微纳机器人可以成功沿着直线轨道移动，并在轨道改变成垂直方向时，成功转弯到垂直的轨道路线上。薄膜专车机器人在磁性轨道上行进实物图，见图5(a)-(d)。
实施例2：筒状大巴机器人的应用实例
利用卷曲技术制备结合椭圆磁性薄膜的三维结构来作为磁性微纳机器人，可携带更大量的细胞进行传输，并可成功应用在设计好的轨道上运行，见图4所示。筒状大巴机器人在磁性轨道上行进实物图，见图6(a)-(d)。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法，其特征在于，包括：
通过外加旋转磁场来调控磁性轨道单元内的磁化状态；
通过磁性轨道单元内磁化状态的改变与磁性微纳机器人产生同极相斥力与异极相吸力，调控磁性微纳机器人在磁性基板轨道上行进或停止；
通过磁性轨道单元内磁化状态的翻转磁场或矫顽场大小来调控轨道路径通行与不通行；
所述磁性基板轨道为固定于基板上一连串排列的磁性轨道单元；
通过微纳尺度下的微纳加工技术在基板上制备一连串排列的磁性轨道单元；
所述磁性轨道单元的形状包括：规则立体形状、不规则立体形状、规则形状薄膜及不规则形状薄膜，其中，所述规则立体形状及规则形状薄膜的横截面为：正三角形或正四角形或圆形或正多边形；所述不规则形状及不规则形状薄膜的横截面为：多曲线构成的形状、或多曲线与多直线构成的形状；
所述磁性基板轨道的轨道路径种类包括：直线形路径、垂直转弯形路径、弧形路径、圆形路径、抛物线形路径中的一种或多种的组合，其中，组合轨道路径通过变换各段路径的角度进行衔接；
所述磁性微纳机器人为具有净磁矩或单磁区特性的微纳机器人。
2.如权利要求1所述的通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法，其特征在于，所述磁性微纳机器人包括：单层磁性微纳机器人、双层磁性微纳机器人、磁性薄膜堆叠设计的多层磁性微纳机器人、磁性立体形状设计的磁性微纳机器人；所述双层磁性微纳机器人、所述磁性薄膜堆叠设计的多层磁性微纳机器人、所述磁性立体形状设计的磁性微纳机器人，均采用同种或不同种的磁性材料与部分非磁性材料组合而成。
3.如权利要求1所述的通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法，其特征在于，所述磁性微纳机器人能够表面修饰不同种生物分子、细胞或抗体来捕捉、收集或运输特定的分子、抗原、抗体、细胞或小有机体。
4.如权利要求1所述的通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法，其特征在于，所述磁性微纳机器人的每步行进距离根据磁性轨道间距和磁性微纳机器人的长度进行调控。
5.如权利要求1所述的通过磁性基板轨道来控制磁性微纳机器人运行的方法，其特征在于，所述磁性微纳机器人能够通过磁性轨道单元内磁化状态的翻转磁场或矫顽场大小来调控磁性微纳机器人在轨道路径通行与不通行。
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