CN111496764B - 一种微型磁驱捕获机器人及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微型磁驱捕获机器人，包括机器人本体，机器人本体端部设有若干连接突触，连接突触与捕获臂连接，捕获臂内分布若干磁片，机器人本体内设有至少一个磁性螺旋结构。本发明还提供一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，包括如下步骤：步骤一、在基底上采用旋转磁控溅射法制备磁性螺旋结构；步骤二、利用模板法制备机器人本体和连接突触；步骤三、将步骤一中制备的磁性螺旋结构压入机器人本体中；步骤四、采用模板法与磁控溅射法制备捕获臂；步骤五、将捕获臂与连接突触粘接。该微型磁驱捕获机器人，克服现有微型捕获机器人操控性与抓取能力难以二者兼优的局限，提供一种操控良好、抓取稳定的微型磁驱捕获机器人。
Description
技术领域
本发明涉及微型机器人领域，具体涉及一种微型磁驱捕获机器人及其制备方法。
背景技术
微型机器人是一类体型微小（微米至毫米量级）的人造动力装置，可以在限域环境内实现物体捕获传送、能量收集传输、信息获取传递等特定功能，在诸多领域具有重要的应用价值。特别是，微型捕获机器人能实现狭窄恶劣环境中非规则物体的抓取与转移（如血管血内的血栓、空调细管内脱落的异物等），在精细管线维护、生物医学器件甚至临床诊疗等领域具有十分巨大的应用潜能。近年来，微型捕获机器人研究领域发展迅猛，一些不同原理、结构、材质的微型捕获机器人应运而生。对于微型捕获机器人而言，良好的操控性与稳健的抓取能力，是衡量其性能优劣两个重要的指标。
由于受自身尺寸限制，微型捕获机器人通常难以采用传统操控性良好的电子控制方法，纷纷转向采用其他操控策略。现有的微型捕获机器人控制策略大致可分为两类：一类是依靠局域环境刺激产生响应，例如，依靠被捕获物体周围环境的PH值、电场、光照强度等控制机器人捕获过程。这一类捕获机器人虽然具有较稳定的抓取性能，但在线操控性能较差，往往不能人工实时操控，令捕获过程具有一定的随机性。另一类是依靠外界物理场的调控来实施捕获。例如，利用外界磁场驱动机器人精准运动进而实现物体抓取。这类微型机器人一般具有固定的捕获机构，如半开放式的捕获笼、捕获钳等。但受限于外场的空间分辨精度，这类机器人的捕获机构多数被制造成刚性结构，不能调整捕获机构的几何状态。这使得此类机器人虽然具备良好的操控性能，却在抓取鲁棒性上出现了短板。
因而，提供一种既具备良好操控性能，又具备稳健抓取能力的微型机器人，将具有重要的应用潜力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微型磁驱捕获机器人及其制备方法，克服现有微型捕获机器人操控性与抓取能力难以二者兼优的局限，提供一种操控良好、抓取稳定的微型磁驱捕获机器人。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种微型磁驱捕获机器人，包括机器人本体，机器人本体端部设有若干连接突触，连接突触与捕获臂连接，捕获臂内分布若干磁片，机器人本体内设有至少一个磁性螺旋结构。
优选的方案中，所述磁性螺旋结构具备相同的手征特性。
优选的方案中，所述磁片的间隔不小于1nm，不大于磁片长度的10倍。
优选的方案中，所述捕获臂内至少分布两种不同的磁化取向的磁片。
进一步的方案中，所述磁片包括平行磁片和垂直磁片，平行磁片的磁化取向平行与平行磁片，垂直磁片的磁化取向垂直于垂直磁片。
优选的方案中，所述捕获臂内至少分布两种不同矫顽力的磁片。
优选的方案中，所述捕获臂材料为柔性材料。
本发明还提供一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在基底上采用旋转磁控溅射法制备磁性螺旋结构；
步骤二、利用模板法制备机器人本体和连接突触，制备模板，模板底部由水溶性基底封闭，将熔融态的有机聚合物材料灌注在模板的阳模内；
步骤三、在步骤二中制备的机器人本体和连接突触凝聚之前，将步骤一中制备的磁性螺旋结构压入机器人本体中；
步骤四、采用模板法与磁控溅射法制备捕获臂，制备捕获臂模板，捕获臂模板上的凹槽内铺设聚合物衬底，聚合物衬底表面设置磁片基底，捕获臂模板上侧设有掩模板，将捕获臂模板放置在溅射镀膜机的托盘上，待磁片溅射完毕，在聚合物衬底和磁片上覆盖聚合物；
步骤五、将步骤二中的水溶性基底溶解清除，将捕获臂与连接突触粘接，将捕获臂和机器人本体进行脱模。
优选的方案中，步骤一中，在可溶性无机片层基底上涂覆PS球，将基底放置在溅射镀膜机的托盘上进行溅射。
优选的方案中，步骤三中将磁性螺旋结构压入机器人本体中后，添加促凝剂加快机器人本体冷却。
本发明提供的种微型磁驱捕获机器人及其制备方法，具有以下有益效果：
1、提供了一种新微型磁驱捕获机器人，可以满足微纳管线检修、生物医学诊疗等领域对微型捕获机器人的现实需求。
2、本发明的微型磁驱捕获机器人可以被旋转磁场驱动，其捕获臂可以为稳态磁场所操控，具有良好的操控性与捕获能力。
3、本发明的微型捕获机器人驱动动及捕获过程能量来源于外部磁场而非自身携带，能源供给十分稳定。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的磁性螺旋结构；
图3为捕获臂的结构示意图；
图4为机器人本体的模板的结构示意图；
图5为磁片制备过程示意图；
图6为本发明捕获微米球过程示意图；
图中：捕获臂1，连接突触2，机器人本体3，磁性螺旋结构4，磁片5，模板6，基底7，阳模8，磁片基底9，掩模板10，旋转磁场11，稳定磁场12，平行磁片501，垂直磁片502。
具体实施方式
如图1~3所示，一种微型磁驱捕获机器人，包括机器人本体3，机器人本体3端部设有若干连接突触2，机器人本体3的材质为有机聚合物为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），连接突触2为与机器人本体3一体的硬质结构，连接突触2与捕获臂1连接，捕获臂1材料为柔性材料制成的柔性臂，捕获臂1可以选用柔性聚二甲基硅氧烷PDMS，捕获臂1内间隔分布若干磁片5，所述捕获臂1内至少分布两种不同的磁化取向的磁片5，在本实施例中，如图3所示，所述磁片5包括平行磁片501和垂直磁片502，平行磁片501的磁化取向平行与平行磁片501，垂直磁片502的磁化取向垂直于垂直磁片502，即平行磁片50的磁化取向沿捕获臂1长度方向分布，垂直磁片502垂直捕获臂1设置，在外加恒定磁场作用下，磁片5磁化取向将趋同于外界磁场方向，从而诱导柔性捕获臂1几何形体发生改变，完成捕获任务。机器人本体3内设有至少一个磁性螺旋结构4，磁性螺旋结构4具备相同的手征特性，当外部施加旋转磁场时，该螺旋结构会同步旋进，从而带动机器人整体螺旋前行。
优选的，所述磁片5的间隔不小于1nm，不大于磁片5长度的10倍。磁片5间隔密度适中，可以使得磁片5既能提供足够动力带动捕获臂1运动，又不损害捕获臂1的柔韧性。
优选的，所述捕获臂1内至少分布两种不同矫顽力的磁片5，在本实施例中，磁片2沿其分布方向逐片递增或递减。递进变化的矫顽力可以使得捕获臂1姿态变化速率能被外磁场缓慢调控，从而提高了捕获臂1姿态的可操控性。
一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在基底上采用旋转磁控溅射法制备磁性螺旋结构4。
将可溶性无机氯化钠（NaCl）片层基底洗净，在间隔表面涂覆微米尺寸的商用PS小球，并将基底置于磁控溅射镀膜机样品托盘上。将备镀镍铁合金靶材置于靶材溅射位置。利用机械泵与分子泵将磁控溅射镀膜腔体抽真空至10~6帕，关闭抽气泵，通入氩气并精心控制气体流量。在氩气氛围下，开启溅射电源，调控电源电压至软磁靶材溅射速率为1~10 纳米/秒。同时，开启样品托盘旋转电源，使样品托盘绕中心对称轴向以1~2转/秒的速率旋转。溅射靶材将会在PS小球周边逐渐堆积，在旋转作用下逐渐生长成为具有确定手征性（左旋或右旋）镍铁磁性螺旋结构。
步骤二、利用模板法制备机器人本体3和连接突触2。
制备模板6，如图4所示，模板6上阵列式分布若干阳模8，模板6底部由水溶性基底7封闭，将熔融态的有机聚合物材料灌注在模板6的阳模8内，在本实施例中，将PDMS的A胶采用微管注射的方式灌注进阳模8内；
步骤三、在步骤二中制备的机器人本体3和连接突触2凝聚之前，将步骤一中制备的磁性螺旋结构4压入机器人本体3中。添加促凝剂PDMS的B胶，静止凝固。为了提高机器人本体3及连接突触2的硬度，提高AB胶的比例至1:5，使包覆软磁磁性螺旋结构4凝聚成硬质结构。将磁性螺旋结构4所在的可溶性无机片层基底溶解，清洗移除，即获得包裹在模具内的机器人本体3及连接突触2。
步骤四、采用模板法与磁控溅射法制备捕获臂1。
制备捕获臂模板，捕获臂模板上的凹槽内铺设聚合物衬底，如图5所示，聚合物衬底表面设置磁片基底9，捕获臂模板上侧设有掩模板10，掩模板10上设置不同的图案，用于制备不同磁化取向的磁片5，掩模板10两次放置具备不同磁化取向的永磁体，用于诱导及加强磁片5微结构的磁化取向。选取不同成分与组分的铁磁靶材，将备镀铁磁性靶材置于靶材溅射位置，以获得磁片不同的矫顽力性质。利用机械泵与分子泵将磁控溅射镀膜腔体抽真空至10-6帕，关闭抽气泵，通入氩气并精心控制气体流量。在氩气氛围下，开启溅射电源，调控电源电压至软磁靶材溅射团簇的沉积速率为1~10 纳米/分钟。待溅射完毕，取下掩模板10，获得具备不同微纳磁结构的磁片5。随后，在柔性聚合物衬底及衬底溅射的磁片5上，再覆盖一层同种类的柔性聚合物，使其形成两层柔性聚合物夹一层磁片的“三明治”结构。
步骤五、将步骤二中的水溶性基底7溶解清除，将步骤四中制备的未脱模捕获臂1的一端面部分腐蚀或抛磨，乙醇清洗三次，将出现的断面与步骤二中所制备的连接突触2对接粘贴，而后将所制备的微型磁性捕获机器人从阳模8中脱洗出来。即可获得本发明的微型磁驱捕获机器人。
以该微型磁驱捕获机器人捕获百微米级PS小球为例对工作原理说明如下：如图6所示，将微型磁驱捕获机器人置于PS小球所在的非磁性限域环境中。外部施加旋转磁场11，则机器人将在其驱动下旋转前进或后退。通过调控旋转磁场的频率、方向，控制机器人前进速度、方向。当机器人抵达PS微球附近 后，关闭旋转磁场11，沿机器人轴向方向施加一个稳定磁场12，并缓慢增大磁场强度。捕获臂1内部磁片5感受到稳定磁场12的磁力作用，将逐片翻转并使得自身磁矩方向与外磁场方向趋于一致，由于各磁片磁化取向被事先设定，会使的捕获臂1对目标捕获物呈现半包围态势。在稳态磁场12基础上，叠加一个旋转磁场11，机器人柔性捕获继续呈现半包围状态，并与捕获的目标PS球一同旋进运动。同步操纵稳定磁场12与旋转磁场11的方向，将PS球搬运至目的地。
Claims (9)
1.一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，包括微型磁驱捕获机器人，所述微型磁驱捕获机器人包括机器人本体（3），机器人本体（3）端部设有若干连接突触（2），连接突触（2）与捕获臂（1）连接，捕获臂（1）内分布若干磁片（5），机器人本体（3）内设有至少一个磁性螺旋结构（4）；
制备方法包括如下步骤：
步骤一、在基底上采用旋转磁控溅射法制备磁性螺旋结构（4）；
步骤二、利用模板法制备机器人本体（3）和连接突触（2），制备模板（6），模板（6）底部由水溶性基底（7）封闭，将熔融态的有机聚合物材料灌注在模板（6）的阳模（8）内；
步骤三、在步骤二中制备的机器人本体（3）和连接突触（2）凝聚之前，将步骤一中制备的磁性螺旋结构（4）压入机器人本体（3）中；
步骤四、采用模板法与磁控溅射法制备捕获臂（1），制备捕获臂模板，捕获臂模板上的凹槽内铺设聚合物衬底，聚合物衬底表面设置磁片基底（9），捕获臂模板上侧设有掩模板（10），将捕获臂模板放置在溅射镀膜机的托盘上，待磁片溅射完毕，在聚合物衬底和磁片（5）上覆盖聚合物；
步骤五、将步骤二中的水溶性基底（7）溶解清除，将捕获臂（1）与连接突触（2）粘接，将捕获臂（1）和机器人本体（3）进行脱模。
2.根据权利要求1所述的一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，所述磁性螺旋结构（4）具备相同的手征特性。
3.根据权利要求1所述的一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，所述磁片（5）的间隔不小于1nm，不大于磁片（5）长度的10倍。
4.根据权利要求1所述的一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，所述捕获臂（1）内至少分布两种不同的磁化取向的磁片（5）。
5.根据权利要求4所述的一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，所述磁片（5）包括平行磁片（501）和垂直磁片（502），平行磁片（501）的磁化取向平行于 平行磁片（501），垂直磁片（502）的磁化取向垂直于垂直磁片（502）。
6.根据权利要求1所述的一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，所述捕获臂（1）内至少分布两种不同矫顽力的磁片（5）。
7.根据权利要求1所述的一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，所述捕获臂（1）材料为柔性材料。
8.根据权利要求7所述的一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，步骤一中，在可溶性无机片层基底上涂覆PS球，将基底放置在溅射镀膜机的托盘上进行溅射。
9.根据权利要求7所述的一种微型磁驱捕获机器人的制备方法，其特征在于，步骤三中将磁性螺旋结构（4）压入机器人本体（3）中后，添加促凝剂加快机器人本体（3）冷却。
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