CN111333019A - 纳米机器人与纳米机器人运动控制系统 - Google Patents

纳米机器人与纳米机器人运动控制系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种纳米机器人，包括用于吸收微波并将微波转化为热能的发热体以及包围于发热体外周的壳体，壳体设置有连通发热体与壳体外部的热传递孔，发热体或壳体中掺杂有铁磁性材料。该纳米机器人结构可以通过发热体吸收微波并将微波转化为热能，热传递孔将热能排出壳体的同时产生推动力，从而驱动纳米机器人运动；发热体中或壳体中掺杂有铁磁性材料，从而可以在磁场环境中感应磁场作用力，以实现纳米机器人的导航定位；通过控制发热体的微波吸收量的控制可以调节纳米机器人的移动速度。可见，该纳米机器人可以在微波和磁场环境中实现运动、导航和速度控制，便于操作，提高了纳米机器人的实用性。本申请还公开了一种纳米机器人运动控制系统。

Description

纳米机器人与纳米机器人运动控制系统
技术领域
本发明涉及纳米机器人技术领域，尤其涉及一种纳米机器人与一种纳米机器人运动控制系统。
背景技术
纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件。某些情况下，能进行纳米尺度微加工或操作的自动化装置也被称之为纳米机器人。
纳米机器人在许多领域都有着广泛的应用，其中最重要的就是在医疗卫生领域的应用。纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行，纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界。到21世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的工作和生活方式。
纳米机器人的尺寸规格为纳米或微米级别，目前科学家面临的难题是，由于找不到足够小的动能装置来充当纳米机器人的发动机，使得纳米机器人的运动控制十分困难，因此，为了使纳米机器人具有实用性，人们必须解决三个方面的技术问题，即纳米机器人运动的导航、动力和移动速度控制。
因此，如何解决纳米机器人的运动控制问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型结构的纳米机器人，该纳米机器人可以在全新的驱动方式下方便地实现导航、运动和移动速度的控制。本发明的另一个目的在于提供一种纳米机器人运动控制系统。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种纳米机器人，包括：
发热体，用于吸收微波并将微波转化为热能；
包围于所述发热体外周的壳体，所述壳体设置有连通所述发热体与所述壳体外部的热传递孔，所述发热体或所述壳体中掺杂有铁磁性材料。
本方案提供的纳米机器人结构可以通过发热体吸收微波并将微波转化为热能，热传递孔将热能排出壳体的同时产生推动力，从而驱动纳米机器人运动；发热体中或壳体中掺杂有铁磁性材料，从而可以在磁场环境中感应磁场作用力，以实现纳米机器人的导航定位；通过控制发热体的微波吸收量的控制可以调节纳米机器人的移动速度。可见，本方案提供了一种全新结构的纳米机器人，该纳米机器人可以在微波和磁场环境中实现运动、导航和速度控制，便于操作，提高了纳米机器人的实用性。
优选地，所述发热体与所述壳体之间设有隔热层。
优选地，所述壳体上分布有多个所述热传递孔。
优选地，所述壳体为玻璃材质或二氧化硅材质。
本发明还提供了一种纳米机器人运动控制系统，包括：
如上所述的纳米机器人；
微波组件，包括微波发射源和微波发射天线，以及用于调节所述微波发射源的功率的微波调节装置；
磁场组件，包括电磁探头和磁探头机械臂，以及调节所述电磁探头的功率的磁场强度调节装置；
电机，用于控制所述微波发射天线和所述磁探头机械臂的运动；
用于观测所述纳米机器人的运动状态的显微观测设备。
本方案提供的纳米机器人运动控制系统的工作原理为：利用微波组件发出的微波信号作用于上述纳米机器人，纳米机器人结构通过发热体吸收微波并将微波转化为热能，热传递孔将热能排出壳体的同时产生推动力，从而驱动纳米机器人运动；磁场组件利用电磁探头产生的磁场对纳米机器人施加磁场作用力，从而控制纳米机器人的导航和定位；通过调节微波发射源的功率可以调节纳米机器人接收到的微波能量，从而实现移动速度的控制。电机控制微波发射天线和磁探头机械臂的运动，从而改变纳米机器人的运动方向。显微观测设备则可以实时观测纳米机器人的运动状态。
可见，本方案提供的纳米机器人运动控制系统利用微波加热和磁场作用的技术手段，实现了热动能驱动纳米机器人运动以及磁场导航定位的功能，提高了纳米机器人的实用性。
优选地，上述纳米机器人运动控制系统还包括用于运行控制程序的计算机和用于执行和反馈运行信号的控制器，所述控制器连接于所述微波组件、所述磁场组件以及所述电机，所述计算机与所述显微观测设备相连。
优选地，所述显微观测设备为热成像仪。
优选地，上述纳米机器人运动控制系统还包括用于提供操作区域的操作平台。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例中的纳米机器人的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中的纳米机器人运动控制系统的控制示意图；
图3为本发明具体实施例中的纳米机器人的加工流程示意图。
图1至图3中：
1-壳体、2-隔热层、3-发热体、4-热传递孔、5-计算机、6-热成像仪、7-控制器、8-电机、9-磁探头机械臂、10-微波发射天线、11-操作平台、12-电阻器、13-微波发射源。
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。
请参照图1，图1为本发明具体实施例中的纳米机器人的结构示意图。
在一种具体实施例方案中，本发明提供了一种纳米机器人，包括：
发热体3，用于吸收微波并将微波转化为热能；
包围于发热体3外周的壳体1，壳体1用于承载部件，壳体1设置有连通发热体3与壳体1外部的热传递孔4，热传递孔4用于排出热量，并在排热过程中产生动力，从而推动纳米机器人向排热方向的反方向运动，发热体3或壳体1中掺杂有铁磁性材料。铁磁性材料可以在磁场环境中感应磁场作用力，从而使得发热体3或壳体1在磁场作用力下实现准确导航和定位，从而确定纳米机器人的运行方向。具体的铁磁性材料可以选用四氧化三铁、各种铁氧体等。
具体的，上述发热体3的具体材质可以选用碳化硅、石墨等具有吸收微波并发热的功能的材料，也可以选用锂镉铁氧体、锂锌铁氧体、镍镉铁氧体等铁氧体材料，这些铁氧体材料具有吸收微波并发热的功能，同时还能在磁场环境中产生磁性并感应磁场作用力。
优选地，壳体1为玻璃材质或二氧化硅材质。当使用壳体1作为磁感应部件时，需要在壳体1内部掺杂铁磁性材料，即，壳体1为掺杂有铁磁性材料(如四氧化三铁)的玻璃或二氧化硅材质，如此便可以使壳体1在磁场环境中感应磁场作用力。
本方案提供的纳米机器人结构可以通过发热体3吸收微波并将微波转化为热能，热传递孔4将热能排出壳体1的同时产生推动力，从而驱动纳米机器人运动；发热体3中或壳体1中掺杂有铁磁性材料，从而可以在磁场环境中感应磁场作用力，以实现纳米机器人的导航定位；通过控制发热体3的微波吸收量的控制可以调节纳米机器人的移动速度。可见，本方案提供了一种全新结构的纳米机器人，该纳米机器人可以在微波和磁场环境中实现运动、导航和速度控制，便于操作，提高了纳米机器人的实用性。
优选地，发热体3与壳体1之间设有隔热层2。隔热层2用于隔热，防止热量向热传递孔4以外的方向传递，以便于热量收集集中，从而更加准确地推动纳米机器人运动。具体的，隔热层2的材质可以采用硅酸铝、硅酸钙等隔热性能较好的材料。
需要说明的是，壳体1上优选分布有多个热传递孔4，以便于发热体3向多个方向进行排热，从而保证纳米机器人可以更加平稳准确。如图1所示，壳体1的周向和尾部均分布有热传递孔4，热传递孔4的开口朝向纳米机器人的尾部，从而便于向纳米机器人的尾部方向排热。壳体1两侧的热传递孔4优选采用均匀分布的方式，如此可以保证纳米机器人运动更加平稳。
请参照图2，图2为本发明具体实施例中的纳米机器人运动控制系统的控制示意图。本发明还提供了一种纳米机器人运动控制系统，包括：
如上所述的纳米机器人；
微波组件，包括用于产生微波信号的微波发射源13和用于发射微波信号的微波发射天线10，以及用于调节微波发射源13的功率的微波调节装置，如电阻器12或电源功率调节装置等；微波组件发出的微波信号作用于上述纳米机器人时，可以使纳米机器人内部的发热体3产生热量；
磁场组件，包括电磁探头和磁探头机械臂9，以及调节电磁探头的功率的磁场强度调节装置；电磁探头用于产生磁场，磁探头机械臂9带动电磁探头一同运动，从而改变电磁探头与纳米机器人的相对位置，也就是改变了纳米机器人在电磁探头产生的磁场中的位置，进而改变了纳米机器人所受到的磁场作用力，以用来给纳米机器人定位；
电机8，用于控制微波发射天线10和磁探头机械臂9的运动；
用于观测纳米机器人的运动状态的显微观测设备。
本方案提供的纳米机器人运动控制系统的工作原理为：利用微波组件发出的微波信号作用于上述纳米机器人，纳米机器人结构通过发热体3吸收微波并将微波转化为热能，热传递孔4将热能排出壳体1的同时产生推动力，从而驱动纳米机器人运动；磁场组件利用电磁探头产生的磁场对纳米机器人施加磁场作用力，从而控制纳米机器人的导航和定位；通过调节微波发射源13的功率可以调节纳米机器人接收到的微波能量，从而实现移动速度的控制。电机控制微波发射天线10和磁探头机械臂9的运动，从而改变纳米机器人的运动方向。显微观测设备则可以实时观测纳米机器人的运动状态。
可见，本方案提供的纳米机器人运动控制系统利用微波加热和磁场作用的技术手段，实现了热动能驱动纳米机器人运动以及磁场导航定位的功能，提高了纳米机器人的实用性。
优选地，上述纳米机器人运动控制系统还包括用于运行控制程序的计算机5和用于执行、判断和反馈运行信号的控制器7，控制器7连接于微波组件、磁场组件以及电机8，计算机5与显微观测设备相连。其中，计算机5中存储有预设的控制程序，计算机5运行控制程序，同时向控制器7发送指令；控制器7将指令转化成各种运行信号并发送至电机8、微波组件和磁场组件，同时，电机8、微波组件和磁场组件的运行信号通过控制器7反馈到计算机5进行处理；显微观测设备将纳米机器人的实时运动状态反馈到计算机5。
需要说明的是，显微观测设备可以采用显微镜或热成像仪等，优选地，本具体实施例方案中的显微观测设备为热成像仪6。
优选地，上述纳米机器人运动控制系统还包括用于提供操作区域的操作平台11。该操作平台11具体可以根据纳米机器人所应用的环境来确定具体结构形式，本文不再赘述。
下面通过具体的操作实例介绍该纳米机器人运动控制系统的工作过程：
将纳米机器人置于操作平台11上，打开微波发射源13电源，计算机5通过控制器7调节电阻器12功率为50W，电阻器12控制微波发射源13产生微波信号，微波发射源13通过微波发射天线10发射微波信号到操作平台11的操作区域；借助热成像仪6和电机8控制微波发射天线10对准纳米机器人，使微波发射天线10与纳米机器人垂直角度布置，以便于纳米机器人能接收到最大的微波能量；纳米机器人发热体3吸收微波并发热，热能通过热传递孔4向后方和侧面排出并产生动力，纳米机器人则朝热能排出的反方向运动，控制纳米机器人往磁探头机械臂9方向运动；与此同时，电磁探头产生的磁场对纳米机器人施加作用力，由于磁场作用力大于纳米机器人排热动力使得纳米机器人逐渐减速，直至纳米机器人停止于磁探头机械臂下方，此时控制电磁探头的磁场强度为零，即实现了纳米机器人的准确定位。
本发明还公开了一种纳米机器人的加工工艺，请参照图3，具体流程如下：
S1：涂热敏胶，在平整的玻璃表面涂一层热敏胶，温度常温，厚度150nm；
S2：使用热敏针预制第一模形，第一模形为纳米机器人的头部模形；
S3：使用等离子喷涂设备在第一模形内喷涂掺杂纳米金属颗粒的二氧化硅，以形成纳米机器人的头部；
S4：在上述结构上部再涂热敏胶，温度常温，厚度200nm；
S5：使用热敏针预制第二模形，第二模形为纳米机器人的壳体模形；
S6：使用PECVD等离子化学气相沉积法，在第二模形S5上预制一层硅酸铝隔热层，该硅酸铝隔热层为纳米机器人内部发热体与壳体之间的隔热层；
S7：使用等离子喷涂设备，在S6步骤的硅酸铝隔热层上预制60nm厚的二氧化硅层，形成纳米机器人壳体；
S8：置于200℃烤箱中，加热烘烤1小时，气化热敏胶，此时纳米机器人的主体成型；
S9：使用超声波清洗机清洗纳米机器人主体的残留物，此时，纳米机器人壳体内部清空；
S10：将适当尺寸的发热体置于纳米机器人壳体内，完成加工，发热体可以采用铁氧体材质。
如上所述的加工工艺可以获得带隔热层和多个热传递孔的纳米机器人，铁氧体材质的发热体可以使该纳米机器人同时具有吸收微波并发热以及感应磁场作用力以实现纳米机器人的导航定位的功能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.纳米机器人，其特征在于，包括：
发热体(3)，用于吸收微波并将微波转化为热能；
包围于所述发热体(3)外周的壳体(1)，所述壳体(1)设置有连通所述发热体(3)与所述壳体(1)外部的热传递孔(4)，所述发热体(3)或所述壳体(1)中掺杂有铁磁性材料。
2.根据权利要求1所述的纳米机器人，其特征在于，所述发热体(3)与所述壳体(1)之间设有隔热层(2)。
3.根据权利要求1所述的纳米机器人，其特征在于，所述壳体(1)上分布有多个所述热传递孔(4)。
4.根据权利要求1所述的纳米机器人，其特征在于，所述壳体(1)为玻璃材质或二氧化硅材质。
5.纳米机器人运动控制系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至4中任一项所述的纳米机器人；
微波组件，包括微波发射源(13)和微波发射天线(10)以及用于调节所述微波发射源(13)的功率的微波调节装置；
磁场组件，包括电磁探头和磁探头机械臂(9)，以及调节所述电磁探头的功率的磁场强度调节装置；
电机(8)，用于控制所述微波发射天线(10)和所述磁探头机械臂(9)的运动；
用于观测所述纳米机器人的运动状态的显微观测设备。
6.根据权利要求5所述的纳米机器人运动控制系统，其特征在于，还包括用于运行控制程序的计算机(5)和用于执行和反馈运行信号的控制器(7)，所述控制器(7)连接于所述微波组件、所述磁场组件以及所述电机(8)，所述计算机(5)与所述显微观测设备相连。
7.根据权利要求5所述的纳米机器人运动控制系统，其特征在于，所述显微观测设备为热成像仪(6)。
8.根据权利要求5所述的纳米机器人运动控制系统，其特征在于，还包括用于提供操作区域的操作平台(11)。
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