CN112595308A - 光控制和驱动的微型机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种光控制和驱动的微型机器人，由光源1、光路2、微型机器人3和控制器4组成，其中光源1由第一光源11、第二光源12、第三光源13和第四光源14组成，光路2由反射镜21、第一二向色滤光片22、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24组成，微型机器人3由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34组成。本发明可用于微型机器人的控制和驱动，可广泛用于生物检测、生物医疗、环境保护和微尺度探测等领域。

Description

光控制和驱动的微型机器人
(一)技术领域
本发明涉及的是一种光控制和驱动的微型机器人，本发明可用于生物检测、生物医疗、环境保护和微尺度探测等领域。属于机器人技术领域。
(二)背景技术
随着科技的发展，机器人越来越多地出现在了我们的视野中，它们协助或替代人类工作在各个领域，给人类的生产和生活活动带来了极大的便利。近几十年来微机电系统的发展和进步，微型机器人应时而生，微型机器人的诞生为工业、医疗和生物等领域注入了新的成分。微型机器人凭借其结构尺寸微小、器件精密，能够进入到人类和宏观机器人所不能到达的狭窄空间进行高精度的定位和操作，因此应用前景十分广阔。目前，国内外研究人员已经在该领域取得了不少成果，各种类型和用途的微型机器人被发明出来，例如：面向石油化工、发电设备中细小管道的探伤和维护的微型管道机器人、进入人体进行医疗检测和微创手术的微型医用机器人。
目前对于微型机器人围绕着更小尺寸更低的成本的方向发展，其中基于集成电路技术生产制造的微型机器人，通过集成电路技术将微型机器人所需的微传感器、微驱动器和微结构集成一起，可以实现单个硅晶片上制造出几十万个乃至几百万个相同结构微型机器人，微型机器人的尺寸可以做的及其小巧且成本及其低廉。文献“Miskin,M.Z.,Cortese,A.J.,Dorsey,K.et al.Electronically integrated,mass-manufactured,microscopicrobots.Nature 584,557–561(2020)”报道了一种微型机器人构型使得他们在4英寸晶圆上制造了一百万个相同结构微型机器人，微型机器人由照射到其表面的激光进行控制和驱动。他们将非常细的激光束照射到微型机器人几十微米的硅光伏电池上，同时激光束需要交替的照射到在不同的硅光伏电池使得微型机器人移动。并且随着微型机器人的移动，激光束也需要根据微型机器人的移动进行相应的调整，可以看出通过激光进行点对点照射的方式操纵该微型机器人的过程是十分困难的。
为了解决该问题，本发明公开了一种光控制和驱动的微型机器人，可用于生物检测、生物医疗、环境保护和微尺度探测等领域。该系统通过利用所设计的光源输出不同波长的光至微型机器人的表面，微型机器人的硅光电池将照射在其表面的光转换为运作所需的电能，微型机器人的行走机构将电能转换为移动需要的机械能。同时，微型机器人中设计了几个光电探测模块，每个模块都会针对某个特定的波长响应，当照射在微型机器人表面的光是某个波长时，响应该波长的光电探测模块会触发并控制微型机器人朝向其所控制的方向移动，只需要通过控制器控制光源输出的波长便可以轻易的控制微型机器人的移动。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种光控制和驱动的微型机器人，可以用于生物检测、生物医疗、环境保护和微尺度探测等领域。
一种光控制和驱动的微型机器人由光源1、光路2、微型机器人3和控制器4组成，其中光源1由第一光源11、第二光源12、第三光源13和第四光源14组成，光路2由反射镜21、第一二向色滤光片22、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24组成，微型机器人3由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34组成。
本发明是这样实现的：光源1发射出的光经过光路1中的反射镜21、第一二向色滤光片22、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24传播到微型机器人3的表面。控制器4分别控制光源1中第一光源11、第二光源12、第三光源13和第四光源14的开启状态，使得照射到微型机器人3表面的光在四个不同的波长之间切换，从而实现对微型机器人3的控制和驱动。微型机器人3中的硅光电池31为其行走机构33的运作提供能量，光电探测模块32由带通滤光片321和光电探测器322构成，这样光电探测模块32可以接受特定的光信号，通过改变照射到微型机器人3表面上光的波长可以作为控制微型机器人3方向的信号。
所述系统中光源1由第一光源11、第二光源12、第三光源13和第四光源14构成，它们的波长依次为800±30nm、700±30nm、600±30nm和500±30nm。光源可以是发光二极管(LED)和激光的任意一种。
所述系统中光路2由反射镜21、第一二向色滤光片22、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24构成，对于反射镜21可以是平面反射镜或者反射棱镜的一种，第一二向色滤光片22为750nm的长波通二向色滤光片，第二二向色滤光片23为650nm的长波通二向色滤光片，第三二向色滤光片24为550nm的长波通二向色滤光片。第一光源11发出800±30nm的光经过反射镜21反射到第一二向色滤光片21的表面，并依次经过第一二向色滤光片21、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24透射至微型机器人3的表面。第二光源12发出700±30nm的光经过第一二向色滤光片22反射到第二二向色滤光片23，并以此经过第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24透射到微型机器人3的表面。同样的第三光源13和第四光源14发出的光通过光路2入射到微型机器人3的表面。
所述系统中光电探测模块32由带通滤光片321和光电探测器322构成，光电探测器322可以是光电二极管和雪崩光电二极管的任意一种，光电探测器322放置在带通滤光片321下面，通过选用特定带通波长的带通滤光片321使得光探测模块32针对特定波长范围的光响应。微型机器人3中设置4个不同带通波长(四个带通波长对应800±30nm、700±30nm、600±30nm和500±30nm)的光探测模块32，用于四个移动方向的控制，分别是前、后、左和右方向。
所述系统中微型机器人3基于集成电路工艺制作而成，其主要由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34构成。硅光电池31将照射到微型机器人3表面的光能转化为电能，为微型机器人3的运行提供能量。行走机构33是将硅光电池31产生的电能转换为微型机器人3用于移动的机械能，其可以是基于电致形变材料制作而成。微型机器人封装34起承载作用，微型机器人3的硅光电池31、光探测模块32和行走机构33集成在微型机器人封装34上，整个微型机器人3的尺寸控制在微米到毫米级。
所述系统中控制器4的作用是控制光源1中四个不同波长光源的开启状态，使得照射在微型机器人3表面的光在四个波段之间进行切换，微型机器人3根据接收到光信号的波段对应的方向信息进行移动。例如，当控制器4控制第一光源11开启，800±30nm的光信号入射到微型机器人3的表面，微型机器人3中带通波长为800±30nm的光探测模块响应该光信号，控制和驱动微型机器人3向前(带通波长为800±30nm的光探测模块控制向前的运动方向)运动。
(四)附图说明
图1是光控制和驱动的微型机器人示意图。它由光源1、光路2、微型机器人3和控制器4组成，其中光源1由第一光源11、第二光源12、第三光源13和第四光源14组成，光路2由反射镜21、第一二向色滤光片22、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24组成，微型机器人3由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34组成。
图2是光控制和驱动的微型机器人实施例示意图。它由光源1、光路2、微型机器人3和控制器4组成，其中光源1由第一激光11(波长800nm)、第二激光12(波长700nm)、第三激光13(波长600nm)和第四激光14(波长500nm)组成，光路2由平面反射镜21、第一二向色750nm长波通滤光片22、第二二向色650nm长波通滤光片23和第三二向色550nm长波通滤光片24组成，微型机器人3由硅光电池31、光电探测模块32(四个不同波长的探测模块，波长分别为800nm、700nm、600nm和500nm)、行走机构33(4个行走机构，可以朝四个方向移动)和微型机器人封装34组成。
图3是实施例中微型机器人3方向控制示意图，方向351为微型机器人3位于所在平面向前的移动方向，方向352为微型机器人3位于其所在平面向后移动的方向，方向353为微型机器人3位于所在平面向左的移动方向，方向354为微型机器人3位于所在平面向右的移动方向。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了光控制和驱动的微型机器人的实施例，光源1中第一激光11(波长800nm)、第二激光12(波长700nm)、第三激光13(波长600nm)和第四激光14(波长500nm)用来产生四种不同波长的激光，通过控制器4控制光源1每次单独发射出一种波长的光。
第一光源11发出的800nm的激光，经过平面反射镜21反射到第一二向色750nm长波通滤光片22，激光的波长大于滤光片截止波长，800nm的激光将经过第一二向色750nm长波通滤光片22、第二二向色650nm长波通滤光片23和第三二向色550nm长波通滤光片24投射到微型机器人3的表面。第二光源12发出的700nm的激光，入射到第一二向色750nm长波通滤光片22，激光的波长小于滤光片截止波长，700nm的激光将经过第一二向色750nm长波通滤光片22反射到第二二向色650nm长波通滤光片23，激光波长大于滤波片的截止波长，700nm的激光将经过第二二向色650nm长波通滤光片23和第三二向色550nm长波通滤光片24照射到微型机器人3的表面。同理，第三光源13和第四光源14也会经过光路1照射到微型机器人3的表面。
微型机器人3表面的硅光电池31将接受到的光转换为运行所需的电能，四个行走机构33将电能转换为机械能使得微型机器人3按照被控制的方向移动。对于微型机器人3移动方向的控制，四个光电探测器模块32完成该任务，光电探测模块32由带通滤光器321和光电探测器322组成，这样光电探测器模块32只针对特定波长的光响应。四个光电探测模块32的带通滤光器321的带通波长与光源1中的波长，分别选用800nm、700nm、600nm和500nm。带通波长为800nm的光电探测模块32响应第一光源11发出的激光控制微型机器人3按照方向351(如图3)移动，带通波长为700nm的光电探测模块32响应第二光源12发出的激光控制微型机器人3按照方向352(如图3)移动，带通波长为600nm的光电探测模块32响应第三光源13发出的激光控制微型机器人3按照方向353(如图3)移动，带通波长为500nm的光电探测模块32响应第四光源14发出的激光控制微型机器人3按照方向354(如图3)移动。所以控制器4实时控制光源1发出波段可调的激光至微型机器人3提供了移动的能量，最重要的是微型机器人3的移动方向可以被轻易的、实时的控制。

Claims (6)

1.一种光控制和驱动的微型机器人，由光源1、光路2、微型机器人3和控制器4组成，其中光源1由第一光源11、第二光源12、第三光源13和第四光源14组成，光路2由反射镜21、第一二向色滤光片22、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24组成，微型机器人3由硅光电池31、光探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34组成。所述系统中光源1发射出的光经过光路1中的反射镜21、第一二向色滤光片22、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24传播到微型机器人3的表面。控制器4分别控制光源1中第一光源11、第二光源12、第三光源13和第四光源14的开启状态，使得照射到微型机器人3表面的光在四个不同的波长之间切换，从而实现实现对微型机器人的控制和驱动。微型机器人3中的硅光电池31为其行走机构33的运作提供能量，光电探测模块32由带通滤光片321和光电探测器322构成，这样光电探测模块32可以接受特定波长的光信号，通过改变照射到微型机器人3表面上光的波长可以作为控制微型机器人方向的信号。
2.根据权利要求1所述的一种光控制和驱动的微型机器人，其特征是：光源1由第一光源11、第二光源12、第三光源13和第四光源14构成，它们的波长依次为800±30nm、700±30nm、600±30nm和500±30nm。光源可以是发光二极管(LED)和激光的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种光控制和驱动的微型机器人，其特征是：光路2由反射镜21、第一二向色滤光片22、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24构成，对于反射镜21可以是平面反射镜或者反射棱镜的一种，第一二向色滤光片22为750nm的长波通二向色滤光片，第二二向色滤光片23为650nm的长波通二向色滤光片，第三二向色滤光片24为550nm的长波通二向色滤光片。第一光源11发出800±30nm的光经过反射镜21反射到第一二向色滤光片21的表面，并依次经过第一二向色滤光片21、第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24透射至微型机器人3的表面。第二光源12发出700±30nm的光经过第一二向色滤光片22反射到第二二向色滤光片23，并以此经过第二二向色滤光片23和第三二向色滤光片24透射到微型机器人3的表面。同样的第三光源13和第四光源14发出的光通过光路2入射到微型机器人3的表面。
4.根据权利要求1所述的一种光控制和驱动的微型机器人，其特征是：光电探测模块32由带通滤光片321和光电探测器322构成，光电探测器322可以是光电二极管和雪崩光电二极管的任意一种，光电探测器322放置在带通滤光片321下面，通过选用特定通带波长的带通滤光片321使得光探测模块32针对特定波长范围的光响应。微型机器人3中设置4个不同带通波长(四个带通波长对应800±30nm、700±30nm、600±30nm和500±30nm)的光探测模块32，用于四个移动方向的控制，分别是前、后、左和右方向。
5.根据权利要求1所述的一种光控制和驱动的微型机器人，其特征是：微型机器人3基于集成电路工艺制作而成，其主要由硅光电池31、光电探测模块32、行走机构33和微型机器人封装34构成。硅光电池31将照射到微型机器人3表面的光能转化为电能，为微型机器人3的运行提供能量。行走机构33是将硅光电池31产生的电能转换为微型机器人3用于移动的机械能，其可以是基于电致形变材料制作而成。微型机器人封装34起承载作用，微型机器人3的硅光电池31、光探测模块32和行走机构33集成在微型机器人封装34上，整个微型机器人3的尺寸控制在微米到毫米级。
6.根据权利要求1所述的一种光控制和驱动的微型机器人，其特征是：控制器4的作用是控制光源1中四个不同波长光源的开启状态，使得照射在微型机器人3表面的光在四个波段之间进行切换，微型机器人3根据接收到光信号的波段对应的方向信息进行移动。例如，当控制器4控制第一光源11开启，800±30nm的光信号入射到微型机器人3的表面，微型机器人3中带通波长为800±30nm的光探测模块响应该光信号，控制和驱动微型机器人3向前(带通波长为800±30nm的光探测模块控制向前的运动方向)运动。
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