CN112245779A - 一种可实现微观粒子捕捉及释放的微纳机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现微观粒子捕捉及释放的微纳机器人，属于磁场驱动控制的机器人技术领域。所述微纳机器人由磁性镍制金属段、被动金段以及柔性结构的多孔银段三个部分构成。该微纳机器人通过梯度磁场控制磁性镍制金属段的移动进而带动被动金段的移动，实现捕捉和释放功能。磁驱微纳机器人对环境友好、无污染，符合快速彻底清除有毒物质的关键要求。本发明中的微纳机器人参数可控，游泳能力强，装载能力强。微流体环境的低雷诺数和微纳机器人的布朗运动，对机器人的精确操控是一个挑战，而本发明中的微纳机器人主要由现有的磁驱系统控制，控制方式较为简单，能实现人体血液环境中的细胞捕捉及靶向给药等基本功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可实现微观粒子捕捉及释放的微纳机器人，属于磁场驱动控制的机器人技术领域。
背景技术
随着现代科技的不断发展，机器人已经广泛应用于人类的生产生活中，比如制造业、服务业等。这些机器人所实现的功能千差万别，大小形态也各有不同，能够帮助完成一些人类力所不能及的任务。在现代医学领域，也有很多的疑难杂症需要在体内进行诊断和治疗，传统的医学手段尚不能实现有效的治疗效果，因此，一种能在人体内应用的微纳米级别的机器人应运而生。
现有的微纳机器人主要有磁场驱动、电场驱动、超声驱动、光驱动等几种驱动方式，其中磁场驱动可以在生物体中利用低强度磁场实现无损远程控制，有易于调控的优点。磁驱微纳机器人是一种将磁场能量转换为动能的微纳米装置，它可以仅仅由外部磁场提供机器人运动所需要的动力，因此结构上可以省略掉驱动装置的部分，不仅结构上可以简化，体积也可以根据需要灵活改变。一般情况下的微纳机器人都会在低雷诺数环境中进行操作，在该环境下，惯性力与黏性力的比值极小，经常可以忽略掉惯性力的作用，因此，想要机器人移动，就必须要施加一个持续不断的磁力。
现有磁驱微纳机器人已经有所发展，利用梯度磁场、旋转磁场、震荡磁场基本可以实现在规划轨迹上运动以及躲避障碍物的功能。然而，在实现对微粒的精准捕捉和释放功能方面现有磁驱微纳机器人还有所欠缺。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种可实现微观粒子捕捉及释放的微纳机器人，以提高靶向送药的效率，增加微纳机器人的捕捉功能。该机器人结构简单，工艺成本低，方便控制。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种磁驱柔性的微纳机器人，所述微纳机器人由多个机械臂组成，所述机械臂由磁性镍制金属段、被动金段、柔性结构的多孔银段组成；所述磁性镍制金属段和被动金段之间用柔性结构的多孔银段连接。
进一步地，所述微纳机器人由4-8个机械臂组成。
进一步地，所述磁性镍制金属段占据单个机械臂体积的20％-40％。
进一步地，所述单个机械臂的直径为200-300nm，长度为5-10μm，单个机械臂上被动金段的数量为1-3个。
进一步地，所述机械臂的制备方法包括以下步骤：
1)制备出薄膜状的带有纳米孔的氧化铝膜，在氧化铝膜的分支面溅射一薄层(牺牲层)作为工作电极，将氧化铝膜组装在带有铝箔的电镀槽中，作为后续电沉积的电接点；
2)使用带有电荷的镀银液将牺牲层电沉积到氧化铝膜的分支面，在-0.9V电压下充满3.0C电荷；
3)根据被动金段的数量，将氧化铝膜按照镍、银、金或镍、银、金、银、金或镍、银、金、银、金、银、金的顺序分别在镀镍溶液、镀银溶液、镀金溶液中沉积，得到纳米线；所述沉积均在-1.0V的电压下进行，在镀镍溶液中达到5.0C的电荷量，在镀银溶液中达到2.0C的电荷量，在镀金溶液中达到1.0C的电荷量；所述氧化铝膜在镀镍溶液中沉积得到磁性镍制金属段，在镀银溶液中沉积得到柔性结构的多孔银段，在镀金溶液中沉积得到被动金段；
4)将沉积后得到的纳米线混合在过氧化氢溶液中45-75s后取出，在光学显微镜下用超纯水洗涤纳米线，直到pH值达中性；
5)用浸有HNO3的棉球头对纳米线进行机械抛光，同时去除溅射层和牺牲层；然后将纳米线放入氢氧化钠溶液中去除氧化铝膜，以6000-8000rpm的速度离心收集纳米线，用去离子水反复洗涤，直到pH值呈中性，即得机械臂。
进一步地，所述的步骤5)中的HNO3的体积比浓度为35％，单位为mL/mL。
进一步地，所述的步骤5)中的去除氧化膜的时间为30-35分钟。
进一步地，所述的步骤5)中的离心时间为4-6min。
进一步地，所述的步骤5)中的氢氧化钠溶液质量体积浓度为15％，单位为g/mL。
本发明还提供了上述微纳机器人的制备方法，所述制备方法包括：在光学显微镜下，将多个机械臂放入光聚集型光刻胶Pegda中，并将不同机械臂的磁性镍制金属段部分对拼在一起，利用光刻机使磁性镍制金属段相互接触部分的光刻胶凝固，从而将多个机械臂拼接在一起，即得微纳机器人。
本发明的技术原理和工作机制：
本发明中磁驱柔性的微纳机器人采用模板辅助电沉积法制备，首先制作一层经过化学氧化的氧化铝模板的带有纳米孔的薄膜，然后在模板上溅射电极，之后按照相应的顺序电沉积不同材料形成所需的柔性机器人，最后利用化学溶剂溶解模板释放机器人即可。
过氧化氢溶剂短时间处理银段可以使其部分溶解，成为多孔的银段，作为该机器人的柔性段，其化学反应式为
2Ag(s)+H2O2→2Ag+(aq)+2OH-
该化学反应进行到最后会在剩余的银表面附着一层氢氧化银和氧化银薄膜，来阻止银的进一步溶解。反应过程中溶解掉的银会成为具有多孔的银结构，该银结构能够自由地弯曲，从而形成柔性结构的多孔银段。
通过改变磁性镍制金属段占单个机械臂的体积比可以来控制机器人的移动速度，体积比应控制在20％-40％。利用梯度磁场控制磁性镍的移动，磁性镍所占的体积越大，机器人的移动速度会更快。
通过改变单个机械臂上的被动金段数量可以来控制机器人变形程度的能力，被动金段数量应控制在1-3个。单个机械臂上被动金段的数量越多，机器人的变形能力越强。
通过改变机器人的机械臂数量可以来控制机器人的捕捉能力机械臂数量应控制在4-8个。力臂数量越多，机器人的捕捉能力越强，但所消耗的材料也越多。
通过改变机器人的机械臂长度可以来控制机器人能够捕捉的微粒的大小，单个机械臂长度可控制在5-10μm，尽量使机器人能够捕捉到单个的微粒。
图3显示了机器人捕捉微粒的过程。首先让机器人的中心尽量地接近微粒的中心，使得磁性镍制金属段包围微粒，控制磁场方向，柔性银段随之会跟随着运动产生弯曲变形，使得微粒被完全包裹，利用球体的运动然后拖动微粒跟随磁场的方向移动。
图4显示了机器人释放微粒的过程，当机器人移动到目标靶位时，只需将磁场的方向向相反的方向改变，磁性镍随之拖动固定金段向相反的方向运动，利用柔性银段的弯曲使得机器人的方向往相反的方向改变。微粒在失去机器人的拖动时候慢慢脱离，留在目标靶位。
本发明有益的技术效果在于：
1、该柔性微纳机器人仅需一个外部梯度磁场驱动，该磁场由两个亥姆霍兹线圈产生，结构较为简单，仅需外部力量驱动，省去了机器人用来自我驱动装置的体积。磁场驱动方式对环境友好，无污染，微弱的磁场对人体无害。
2、该柔性微纳机器人结构较为简单，整体是对称的，比较容易制作，可实现大量的生产使用。
3、该柔性微纳机器人结构灵活多变，可根据所需捕捉的微粒对机器人做出所需的修改，适用性较广。
4、该柔性微纳机器人易于实现对微粒的捕捉和释放，捕捉时，仅需控制磁性镍制金属段包围微粒，通过被动金段带动微粒的移动，释放时，仅需控制磁性镍制金属段往相反的方向运动即可。
附图说明
图1为机器人单臂示意图，其中，1表示磁性镍制金属段，2和4表示柔性结构的多孔银段，3和5表示被动金段。
图2为机器人整体示意图。
图3为机器人捕捉微粒过程的示范图。
图4为机器人释放微粒过程的示范图。
图5为其他机器人结构的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的及优点更加清楚、明确，以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。实施例的内容只用于解释本发明，并非用于限定本发明。基于本发明所制造的机器人，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
实施例1
一种磁驱柔性的微纳机器人，所述微纳机器人由4个机械臂(单个机械臂示意图如图1所示)组成，所述机械臂由磁性镍制金属段、被动金段、柔性结构的多孔银段组成；所述磁性镍制金属段和被动金段之间用柔性结构的多孔银段连接；所述磁性镍制金属段占据单个机械臂体积的20％，所述单个机械臂的直径为300nm，长度为10μm，单个机械臂上被动金段的数量为2个。
本实施例所述微纳机器人的制备方法，包括以下步骤：
1)制备出薄膜状的带有纳米孔的氧化铝膜，在氧化铝膜的分支面溅射一薄层作为工作电极，将氧化铝膜组装在带有铝箔的电镀槽中，作为后续电沉积的电接点；
2)使用带有电荷的镀银液将牺牲层电沉积到氧化铝膜的分支面，在-0.9V电压下充满3.0C电荷；
3)按照镍、银、金、银、金的顺序将氧化铝膜分别在镀镍溶液、镀银溶液、镀金溶液中沉积，所述沉积均需在-1.0V的电压下进行，在镀镍溶液中需达到5.0C的电荷量，在镀银溶液中需达到2.0C的电荷量，在镀金溶液中需达到1.0C的电荷量；
4)将沉积后得到的纳米线混合在过氧化氢溶液中75s后取出，在光学显微镜下用超纯水洗涤纳米线，直到pH值达中性；
5)用浸有体积比浓度为35％(mL/mL)的HNO3的棉球头对纳米线机械抛光，同时去除溅射层和牺牲层；然后将纳米线放入质量体积浓度为15％(g/mL)的氢氧化钠溶液中去除氧化铝膜，时间为35分钟；以8000rpm的速度离心6min收集所得的纳米线，用去离子水反复洗涤，直到pH值呈中性，即得机械臂；
6)在光学显微镜下，将多个机械臂放入光聚集型光刻胶Pegda中，并将不同机械臂的磁性镍制金属段部分对拼在一起，利用光刻机使磁性镍制金属段相互接触部分的光刻胶凝固，从而将多个机械臂拼接在一起，即得微纳机器人。
如图2所示，图2具有4个机械臂，每个机械臂含2个被动金段，被动金段之间用柔性银结构连接，灵活度较高，可用于抓取体积较大的微粒如直径为10μm的微粒，微粒较小可能会从操作臂之间的缝隙中漏出。
本实施例中，机器人均可用模板辅助电沉积法制备，而且机器人的形态并不唯一，操作臂的数量可根据实际情况来做出相应的改变，金段以及柔性银段的长度也可随时做相应的调整，机器人的灵活度也是可以根据单个操作臂上金段的数量来做出改变。
本实施例中，机器人的柔性银段的长度并不是严格按照图示的比例来要求，实际应用中，应取决于当时的各种条件随时做出调整。
当机器人移动时，仅需要单一的梯度磁场来驱动，运动中的形态不做任何严格的要求，仅仅需要在捕捉微粒的时候贴近即可，这也使得机器人的操作方式变得极为简单，省略掉了比如螺旋状机器人的头部朝向等问题。
实施例2
一种磁驱柔性的微纳机器人，所述微纳机器人由8个机械臂组成，所述机械臂由磁性镍制金属段、被动金段、柔性结构的多孔银段组成；所述磁性镍制金属段和被动金段之间用柔性结构的多孔银段连接；所述磁性镍制金属段占据单个机械臂体积的40％，所述单个机械臂的直径为200nm，长度为5μm，单个机械臂上被动金段的数量为1个。
本实施例所述微纳机器人的制备方法，包括以下步骤：
1)制备出薄膜状的带有纳米孔的氧化铝膜，在氧化铝膜的分支面溅射一薄层作为工作电极，将氧化铝膜组装在带有铝箔的电镀槽中，作为后续电沉积的电接点；
2)使用带有电荷的镀银液将牺牲层电沉积到氧化铝膜的分支面，在-0.9V电压下充满3.0C电荷；
3)按照镍、银、金的顺序将氧化铝膜分别在镀镍溶液、镀银溶液、镀金溶液中沉积，所述沉积均需在-1.0V的电压下进行，在镀镍溶液中需达到5.0C的电荷量，在镀银溶液中需达到2.0C的电荷量，在镀金溶液中需达到1.0C的电荷量；
4)将沉积后得到的纳米线混合在过氧化氢溶液中45s后取出，在光学显微镜下用超纯水洗涤纳米线，直到pH值达中性；
5)用浸有体积比浓度为35％(mL/mL)的HNO3的棉球头对纳米线机械抛光，同时去除溅射层和牺牲层；然后将纳米线放入质量体积浓度为15％(g/mL)的氢氧化钠溶液中去除氧化铝膜，时间为30分钟；以6000rpm的速度离心4min收集所得的纳米线，用去离子水反复洗涤，直到pH值呈中性，即得机械臂；
6)在光学显微镜下，将多个机械臂放入光聚集型光刻胶Pegda中，并将不同机械臂的磁性镍制金属段部分对拼在一起，利用光刻机使磁性镍制金属段相互接触部分的光刻胶凝固，从而将多个机械臂拼接在一起，即得微纳机器人。
如图5所示，图5具有8个机械臂，每个机械臂含1个被动金段，被动金段之间用柔性银结构相连接，灵活度较低，方便抓取体积较小的微型颗粒如直径为5μm的微粒。
应用例
本应用例中机器人的工作是处于低雷诺数液体环境中的，机器人与微粒所受到的重力均可忽略不计，因此竖直与水平方向的运动效果是相同的。
图3展示了机器人捕捉微粒的过程。首先让机器人的中心尽量地接近微粒的中心，使得磁性镍制金属段包围微粒，控制磁场方向，柔性银段随之会跟随着运动产生弯曲变形，使得微粒被完全包裹，利用球体的运动然后拖动微粒跟随磁场的方向移动。
图4展示了机器人释放微粒的过程，当机器人移动到目标靶位时，只需将磁场的方向向相反的方向改变，磁性球体随之拖动固定金段向相反的方向运动，利用柔性银段的弯曲使得机器人的方向往相反的方向改变。微粒在失去机器人的拖动时候慢慢脱离，留在目标靶位。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种磁驱柔性的微纳机器人，其特征在于，所述微纳机器人由多个机械臂组成，所述机械臂由磁性镍制金属段、被动金段、柔性结构的多孔银段组成；所述磁性镍制金属段和被动金段之间用柔性结构的多孔银段连接。
2.根据权利要求1所述的微纳机器人，其特征在于，所述微纳机器人由4-8个机械臂组成。
3.根据权利要求1所述的微纳机器人，其特征在于，所述磁性镍制金属段占据单个机械臂体积的20％-40％。
4.根据权利要求3所述的微纳机器人，其特征在于，所述单个机械臂的直径为200-300nm，长度为5-10μm，单个机械臂上被动金段的数量为1-3个。
5.根据权利要求1所述的微纳机器人，其特征在于，所述机械臂的制备方法包括以下步骤：
1)制备出薄膜状的带有纳米孔的氧化铝膜，在氧化铝膜的分支面溅射一薄层作为工作电极，将氧化铝膜组装在带有铝箔的电镀槽中，作为后续电沉积的电接点；
2)使用带有电荷的镀银液将牺牲层电沉积到氧化铝膜的分支面，在-0.9V电压下充满3.0C电荷；
3)根据被动金段的数量，将氧化铝膜按照镍、银、金或镍、银、金、银、金或镍、银、金、银、金、银、金的顺序分别在镀镍溶液、镀银溶液、镀金溶液中沉积，得到纳米线；所述沉积均在-1.0V的电压下进行，在镀镍溶液中达到5.0C的电荷量，在镀银溶液中达到2.0C的电荷量，在镀金溶液中达到1.0C的电荷量；所述氧化铝膜在镀镍溶液中沉积得到磁性镍制金属段，在镀银溶液中沉积得到柔性结构的多孔银段，在镀金溶液中沉积得到被动金段；
4)将沉积后得到的纳米线混合在过氧化氢溶液中45-75s后取出，在光学显微镜下用超纯水洗涤纳米线，直到pH值达中性；
5)用浸有HNO3的棉球头对纳米线进行机械抛光，同时去除溅射层和牺牲层；然后将纳米线放入氢氧化钠溶液中去除氧化铝膜，以6000-8000rpm的速度离心收集纳米线，用去离子水反复洗涤，直到pH值呈中性，即得机械臂。
6.根据权利要求5所述的微纳机器人，其特征在于，所述的步骤5)中的HNO3的体积比浓度为35％，单位为mL/mL。
7.根据权利要求5所述的微纳机器人，其特征在于，所述的步骤5)中的去除氧化膜的时间为30-35分钟。
8.根据权利要求5所述的微纳机器人，其特征在于，所述的步骤5)中的离心时间为4-6min。
9.根据权利要求5所述的微纳机器人，其特征在于，所述的步骤5)中的氢氧化钠溶液质量体积浓度为15％，单位为g/mL。
10.权利要求1-9任一所述的微纳机器人的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：在光学显微镜下，将多个机械臂放入光聚集型光刻胶Pegda中，并将不同机械臂的磁性镍制金属段部分对拼在一起，利用光刻机使磁性镍制金属段相互接触部分的光刻胶凝固，从而将多个机械臂拼接在一起，即得微纳机器人。
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