CN114917969A - 基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统及方法，该系统包括信号控制芯片、X轴控制电路芯片、Y轴控制电路芯片、五微电极芯片和微纳机器；信号控制芯片的信号输出端连接X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片的信号输入端；X轴和Y轴互相垂直。五微电极芯片包括X轴正向电极、X轴负向电极、Y轴正向电极、Y轴负向电极和中心电极，X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片连接五微电极芯片，X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片用于向五微电极芯片输出电压信号，五微电极芯片用于驱动微纳机器运动。该系统可以提高对各类微纳机器具有广普适性和高兼容性，便于微纳机器的操控。本申请可广泛应用于微纳机器技术领域内。
Description
技术领域
本申请涉及微纳机器技术领域，尤其是一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统及方法。
背景技术
微纳机器是能将能量转化为运动和力的微米或者纳米尺度物体。正如字面意思，微纳机器的尺寸极为微小，大小通常在数百纳米(纳米是米的十亿分之一)和数十微米(微米是米的百万分之一)之间。在世界各地科研人员的不懈努力下，近二十年来在国际范围内掀起了微纳机器研究的热潮。在微纳机器的制备方面，不同材料、不同结构的微纳机器通过化学合成、物理沉积、微纳加工等制备方式得以实现；在微纳机器的驱动方面，通过转化电能、磁能、光能、声能、化学能等各种方式，微纳机器得以在微纳尺度运动起来；在微纳机器的应用方面，在大量科研工作人员的精心设计下，微纳机器已经成功应用于生物传感检测、药物递送释放、血管血栓清除、肿瘤细胞杀灭、环境污染监测、环境污染治理、微纳结构组装等多个领域。根据驱动能量的来源，微纳机器的驱动一般可以分为物理场驱动(包括通过电场、磁场、光场、声场等)和化学能驱动。相比于化学能驱动，物理场驱动不仅可以给微纳机器提供运动的能量，而且可以给微纳机器提供运动的方向，例如，在电场中微纳机器可以沿着电场的方向运动。因此，兼有微纳机器运动控制作用的物理场驱动技术常被称为微纳机器物理场操控技术，应用前景十分广泛，电场操控技术是其中典型的实现方式。
相关技术中，实现电场操控二维运动的微纳机器往往具有一定的局限性，例如基于局部电渗作用的微纳机器需是半导体二极管的微纳结构，基于直流电泳作用的微纳机器需是表面电荷修饰的微纳材料。因此，相关技术中，基于五微电极交流电渗的微纳机器操控技术缺乏对微纳机器的普适性和兼容性。
综上，相关技术存在的问题亟需得到解决。
发明内容
本申请的目的在于至少一定程度上解决相关技术中存在的技术问题之一。
为此，本申请实施例的一个目的在于提供一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统及方法。
为了达到上述技术目的，本申请实施例所采取的技术方案包括：
一方面，本申请实施例提供了一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，包括：
信号控制芯片、X轴控制电路芯片、Y轴控制电路芯片、五微电极芯片和微纳机器；
所述信号控制芯片的信号输入端用于连接电子设备，所述信号控制芯片的信号输出端连接所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片的信号输入端；X轴和Y轴互相垂直；
所述五微电极芯片包括X轴正向电极、X轴负向电极、Y轴正向电极、Y轴负向电极和中心电极；其中，所述X轴正向电极和所述X轴负向电极处于所述五微电极芯片两条相对的边上，所述Y轴正向电极和所述Y轴负向电极处于所述五微电极芯片另外两条相对的边上，所述中心电极处于所述五微电极芯片的中间，所述X轴正向电极、所述X轴负向电极、所述Y轴正向电极、所述Y轴负向电极和所述中心电极之间不连通；
所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片连接所述五微电极芯片，所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片用于向所述五微电极芯片输出电压信号，所述五微电极芯片用于驱动所述微纳机器运动。
另外，根据本申请上述实施例的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述X轴控制电路芯片包括四个电压输出端口；其中，所述X轴控制电路芯片的一个电压输出端口连接所述X轴正向电极，所述X轴控制电路芯片的一个电压输出端口连接所述X轴负向电极，所述X轴控制电路芯片的两个电压输出端口连接所述中心电极；
所述Y轴控制电路芯片包括四个电压输出端口；其中，所述Y轴控制电路芯片的一个电压输出端口连接所述Y轴正向电极，所述Y轴控制电路芯片的一个电压输出端口连接所述Y轴负向电极，所述Y轴控制电路芯片的两个电压输出端口连接所述中心电极。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述信号控制芯片包括现场可编程门阵列开发芯片。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片包括数模转换单元、信号滤波单元、运算放大单元、相位反相单元和直流稳压单元。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述五微电极芯片包括衬底材料和电极材料，所述衬底材料绝缘且透明，所述电极材料导电且透明。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述衬底材料采用玻璃片、石英片或者塑料片。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述电极材料采用氧化铟锡。
另一方面，本申请实施例提供一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法，用于通过所述的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统实现微纳机器的操控，所述方法包括：
通过所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片，向所述五微电极芯片的各个电极输出交流电压；
基于交流电渗作用，控制所述微纳机器运动。
另外，根据本申请上述实施例的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法，还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述基于交流电渗作用，控制所述微纳机器运动，包括：
通过如下公式，调整交流电压控制所述微纳机器的运动速度：
其中，ε为溶液环境的介电常数，η为溶液环境的粘滞系数，
为电极表面的初始电位，Ω为电场频率的函数，d为微纳机器与对所述微纳机器施加电压的两个电极中点的距离。
另一方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法。
本申请的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到：
本申请实施例所公开的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，包括：信号控制芯片、X轴控制电路芯片、Y轴控制电路芯片、五微电极芯片和微纳机器；所述信号控制芯片的信号输入端用于连接电子设备，所述信号控制芯片的信号输出端连接所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片的信号输入端；X轴和Y轴互相垂直。所述五微电极芯片包括X轴正向电极、X轴负向电极、Y轴正向电极、Y轴负向电极和中心电极，所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片连接所述五微电极芯片，所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片用于向所述五微电极芯片输出电压信号，所述五微电极芯片用于驱动所述微纳机器运动。该系统可以提高对各类微纳机器具有广普适性和高兼容性，便于微纳机器的操控。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本申请实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本申请实施例中提供的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统的结构示意图；
图2为本申请实施例中提供的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统的五微电极芯片的结构示意图；
图3为本申请实施例中提供的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统的控制电路芯片和五微电极芯片的连接关系示意图；
图4为本申请实施例中提供的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法的流程示意图；
图5为本申请实施例中提供的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法的五微电极芯片的交流电渗示意图；
图6为本申请实施例中提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本申请进行进一步的说明。所描述的实施例不应视为对本申请的限制，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，都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
微纳机器是能将能量转化为运动和力的微米或者纳米尺度物体。正如字面意思，微纳机器的尺寸极为微小，大小通常在数百纳米(纳米是米的十亿分之一)和数十微米(微米是米的百万分之一)之间。在世界各地科研人员的不懈努力下，近二十年来在国际范围内掀起了微纳机器研究的热潮。在微纳机器的制备方面，不同材料、不同结构的微纳机器通过化学合成、物理沉积、微纳加工等制备方式得以实现；在微纳机器的驱动方面，通过转化电能、磁能、光能、声能、化学能等各种方式，微纳机器得以在微纳尺度运动起来；在微纳机器的应用方面，在大量科研工作人员的精心设计下，微纳机器已经成功应用于生物传感检测、药物递送释放、血管血栓清除、肿瘤细胞杀灭、环境污染监测、环境污染治理、微纳结构组装等多个领域。根据驱动能量的来源，微纳机器的驱动一般可以分为物理场驱动(包括通过电场、磁场、光场、声场等)和化学能驱动。相比于化学能驱动，物理场驱动不仅可以给微纳机器提供运动的能量，而且可以给微纳机器提供运动的方向，例如，在电场中微纳机器可以沿着电场的方向运动。因此，兼有微纳机器运动控制作用的物理场驱动技术常被称为微纳机器物理场操控技术，应用前景十分广泛，电场操控技术是其中典型的实现方式。
相关技术中，实现电场操控二维运动的微纳机器往往具有一定的局限性，例如基于局部电渗作用的微纳机器需是半导体二极管的微纳结构，基于直流电泳作用的微纳机器需是表面电荷修饰的微纳材料。因此，相关技术中，基于五微电极交流电渗的微纳机器操控技术缺乏对微纳机器的普适性和兼容性。
有鉴于此，本申请实施例中提供一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统及方法。
下面，首先对本申请实施例中的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统进行解释和说明。
参照图1，本申请实施例中，基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统主要包括：
信号控制芯片、控制电路芯片、五微电极芯片和微纳机器；当然，在一些实施例中，该系统还可以设置有外围接口等单元。具体地，本申请实施例中，信号控制芯片用于数字信号的输出，实现五微电极芯片的电压信号控制。信号控制芯片本身可以连接到外围的电子设备，通过电子设备实现用户的指令输入，然后电子设备将控制信号传输给信号控制芯片。此处，电子设备可以包括电脑、智能手机、PDA设备等的任一种电子设备，本申请对此不作限制。
其中，在一些实施例中，信号控制芯片可以采用现场可编程门阵列(FPGA，field-programmable gate array)开发芯片，为了同时实现对五微电极芯片的电压控制，本申请实施例中，可以选择84数字IO引脚的Spartan系列Xilinx FPGA开发芯片Mojo V3型号。该FPGA开发芯片具有成本低、尺寸微小、语言兼容等众多优点。相应地，在本申请实施例中，基于FPGA开发芯片的集成开发环境可以是Xilinx ISE，用户可以通过Verilog硬件描述语言(HDL)描述电路设计，通过ISE软件完成芯片的型号匹配和端口选择，通过Mojo Loader串口工具将基于FPGA的内部逻辑程序存储在闪存存储器中。具体地，用户可以通过Python的集成开发环境PyCharm设计并编写相关的串口通信界面程序，通过串口传输数据设置参数，实现微电极芯片的电压信号控制，流程如下：用户通过电子设备的操作界面发出指令，FPGA芯片接收数据之后，根据接收的指令解析形成相应参数，生成信号并输出数字信号。
本申请实施例中，控制电路芯片的功能是把FPGA开发芯片的数字信号转换为微纳机器电场操控所需的电压信号。具体地，控制电路芯片包含两个，分别控制微纳机器在二维平面X轴方向的运动和Y轴方向的运动，X轴和Y轴互相垂直，两个控制电路芯片分别记为X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片。本申请实施例中，每个控制电路芯片可以包括数模转换单元、信号滤波单元、运算放大单元、相位反相单元和直流稳压单元，其中，数模转换单元用于实现正向电极电压信号和负向电极电压信号的数模转换，信号滤波单元用于对信号进行滤波处理，运算放大单元用于进行信号放大，相位反向单元用于使得正相输出与负相输出中的交流电压相位相反，直流稳压单元用于稳定电路中的电源电压。此处，各个功能电路的具体结构可以根据相关技术实现，本申请对此不作具体限定。
本申请实施例中，X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片各包括直流稳压单元1个、数模转换单元、信号滤波单元、运算放大单元、相位反相单元各2个，分别对应正向电极和反向电极的控制。X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片连接五微电极芯片，用于向五微电极芯片输出电压信号。
本申请实施例中，参照图2，五微电极芯片的设计如图2所示。五个微纳电极可以分别命名为中心电极、X轴正向电极(X+方向电极)、X轴负向电极(X-方向电极)、Y轴正向电极(Y+方向电极)、Y轴负向电极(Y-方向电极)，共同控制微纳机器在二维平面四个方向的运动。X轴正向电极和X轴负向电极处于五微电极芯片两条相对的边上，Y轴正向电极和Y轴负向电极处于五微电极芯片另外两条相对的边上，中心电极处于五微电极芯片的中间，各个电极之间不连通。其中，中心电极和X轴正向电极联用，可以控制微纳机器向X轴负方向的运动，中心电极和X-方向电极联用，可以控制微纳机器向X轴正方向的运动，中心电极和Y+方向电极联用，可以控制微纳机器向Y轴负方向的运动，中心电极和Y-方向电极联用，可以控制微纳机器向Y轴正方向的运动。
在一些实施例中，参照图3，所述X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片的电压输出端口均可以包括4个，其中电压信号输出端口1、2对应正向电极的控制，电压信号输出端口3、4对应反向电极的控制。具体地，X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片两个芯片的电压信号输出2和电压信号输出4全部连接中心电极，X轴控制电路芯片的电压信号输出1和电压信号输出3分别连接于X+方向电极和X-方向电极，Y轴控制电路芯片的电压信号输出1和电压信号输出3分别连接于Y+方向电极和Y-方向电极；中心电极上方为微纳机器的二维平面运动空间。
本申请实施例中，对于五微电极芯片来说，其衬底材料要求透明、绝缘，同时耐受光刻加工工艺过程使用的有机溶剂。因此，五微电极芯片的衬底材料可以选择玻璃片、石英片、塑料片(包括聚对苯二甲酸类塑料、聚碳酸酯类塑料、聚丙烯类塑料等)等。五微电极芯片的电极材料要求透明且导电，常用的各类金属导电材料(包括金、银、铜、铝等)透光性差，所以本申请实施例中可以采用氧化铟锡(ITO)材料。以玻璃载玻片为衬底材料的ITO五微电极芯片制备为例进行：通过基于紫外正性光刻胶的光刻技术，将设计的五微电极形状从订制的菲林掩膜上转移到ITO玻璃表面；然后以草酸溶液刻蚀ITO薄膜形成五微电极形状，随后乙醇洗去残余光刻胶即可形成五微电极芯片。
本申请实施例中，基于五微电极芯片的交流电渗机理进行操控，微纳机器可以不再受限，可以是绝缘体、半导体、导电体，也可以是固体、液体、气体。如此，可以实现多种不同材质的微纳机器操控，例如包括绝缘的无机材料(二氧化硅)、有机材料(聚苯乙烯)、液体材料(液体石蜡)，导电的金属材料(铂、金)等。
参照图4，图4是本申请实施例中提供的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法，该电场操控方法可以配置在前述的电子设备中执行，也可以额外设置其他的模块单元执行，本申请对此不作限制。参照图4，该基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法包括但不限于：
步骤110、通过所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片，向所述五微电极芯片的各个电极输出交流电压；
步骤120、基于交流电渗作用，控制所述微纳机器运动。
本申请实施例中，以图3示出的X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片与五微电极芯片的连接关系为例，可以通过X轴控制电路芯片和Y轴控制电路芯片，向五微电极芯片的各个电极输出交流电压，控制微纳机器的运动方向。例如，实现微纳机器向X+方向运动的电压设置如图5所示：X轴控制电路芯片中，控制反向电极的电压信号输出3与电压信号输出4施加交流电压，其他电压信号输出端口均不输出。也就是说，X-方向电极与中心电极之间施加了交流电压，基于交流电渗作用，作为微纳机器操控区域的中心电极上方，产生流向X+方向的电渗流动(图中虚线箭头代表电渗流动方向)，从而带动微纳机器向X+方向运动。其他方向运动的电压设置依此类推。如此，可以实现微纳机器的二维平面运动。
在一些实施例中，所述基于交流电渗作用，控制所述微纳机器运动，包括：
通过如下公式，调整交流电压控制所述微纳机器的运动速度：
其中，ε为溶液环境的介电常数，η为溶液环境的粘滞系数，
为电极表面的初始电位，Ω为电场频率的函数，d为微纳机器与对所述微纳机器施加电压的两个电极中点的距离。
本申请实施例中，基于交流电渗作用，还可以确定出在电极上施加电压的大小和微纳机器的运动速度的关系，由上式可以看出，微纳机器的运动速度与交流电压的平方正成比，所以，微纳机器的运动速度可以通过控制电压的大小从而精确控制。
可以理解的是，基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统及方法，相对目前市面上的产品，至少具有以下优点：
(1)基于五微电极交流电渗的微纳机器电场操控方法具有广普适性和高兼容性。基于五微电极交流电渗机理，微纳机器的研究对象不再受限，可以是绝缘体、半导体、导电体，可以是固体、液体、气体，而且微纳机器无需表面电荷修饰。
(2)微纳机器电场操控系统的集成化和微型化。本申请实施例，通过电子集成技术将相关技术中体积较大、结构复杂的电场操控系统进行集成化和微型化；同时相比其他基于交流电渗机理的微纳机器电场操控技术，电极芯片设计简单，实现装置简易、成本低廉的微纳机器电场操控集成系统。
参照图6，本申请实施例还公开了一种电子设备，包括：
至少一个处理器610；
至少一个存储器620，用于存储至少一个程序；
当至少一个程序被至少一个处理器610执行，使得至少一个处理器610实现如图4所示的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法实施例。
可以理解的是，如图4所示的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法实施例中的内容均适用于本电子设备实施例中，本电子设备实施例所具体实现的功能与如图4所示的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法实施例相同，并且达到的有益效果与如图4所示的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法实施例所达到的有益效果也相同。
本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现如图4所示的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法实施例。
可以理解的是，图4所示的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法实施例中的内容均适用于本计算机可读存储介质实施例中，本计算机可读存储介质实施例所具体实现的功能与图4所示的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法实施例相同，并且达到的有益效果与图4所示的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法实施例所达到的有益效果也相同。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“另一实施方式”或“某些实施方式”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，其特征在于，包括：
信号控制芯片、X轴控制电路芯片、Y轴控制电路芯片、五微电极芯片和微纳机器；
所述信号控制芯片的信号输入端用于连接电子设备，所述信号控制芯片的信号输出端连接所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片的信号输入端；X轴和Y轴互相垂直；
所述五微电极芯片包括X轴正向电极、X轴负向电极、Y轴正向电极、Y轴负向电极和中心电极；其中，所述X轴正向电极和所述X轴负向电极处于所述五微电极芯片两条相对的边上，所述Y轴正向电极和所述Y轴负向电极处于所述五微电极芯片另外两条相对的边上，所述中心电极处于所述五微电极芯片的中间，所述X轴正向电极、所述X轴负向电极、所述Y轴正向电极、所述Y轴负向电极和所述中心电极之间不连通；
所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片连接所述五微电极芯片，所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片用于向所述五微电极芯片输出电压信号，所述五微电极芯片用于驱动所述微纳机器运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，其特征在于：
所述X轴控制电路芯片包括四个电压输出端口；其中，所述X轴控制电路芯片的一个电压输出端口连接所述X轴正向电极，所述X轴控制电路芯片的一个电压输出端口连接所述X轴负向电极，所述X轴控制电路芯片的两个电压输出端口连接所述中心电极；
所述Y轴控制电路芯片包括四个电压输出端口；其中，所述Y轴控制电路芯片的一个电压输出端口连接所述Y轴正向电极，所述Y轴控制电路芯片的一个电压输出端口连接所述Y轴负向电极，所述Y轴控制电路芯片的两个电压输出端口连接所述中心电极。
3.根据权利要求1所述的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，其特征在于，所述信号控制芯片包括现场可编程门阵列开发芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，其特征在于，所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片包括数模转换单元、信号滤波单元、运算放大单元、相位反相单元和直流稳压单元。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，其特征在于，所述五微电极芯片包括衬底材料和电极材料，所述衬底材料绝缘且透明，所述电极材料导电且透明。
6.根据权利要求5所述的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，其特征在于，所述衬底材料采用玻璃片、石英片或者塑料片。
7.根据权利要求5所述的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统，其特征在于，所述电极材料采用氧化铟锡。
8.一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法，用于通过如权利要求1-7中任一项所述的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控系统实现微纳机器的操控，其特征在于，所述方法包括：
通过所述X轴控制电路芯片和所述Y轴控制电路芯片，向所述五微电极芯片的各个电极输出交流电压；
基于交流电渗作用，控制所述微纳机器运动。
9.根据权利要求8所述的一种基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法，其特征在于，所述基于交流电渗作用，控制所述微纳机器运动，包括：
通过如下公式，调整交流电压控制所述微纳机器的运动速度：
其中，ε为溶液环境的介电常数，η为溶液环境的粘滞系数，
为电极表面的初始电位，Ω为电场频率的函数，d为微纳机器与对所述微纳机器施加电压的两个电极中点的距离。
10.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8至9任一项所述的基于五微电极交流电渗的微纳机器操控方法。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101665238A (zh) * | 2009-09-15 | 2010-03-10 | 天津大学 | 一种微纳放电加工微三维结构的方法和系统 |
| CN103395058A (zh) * | 2013-07-12 | 2013-11-20 | 兰州大学 | 一种纳米机器人控制设备 |
| CN105600743A (zh) * | 2016-01-27 | 2016-05-25 | 东南大学 | 3d实体电极介电泳纳米线操控系统 |
| CN109062268A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-21 | 中国科学院电工研究所 | 一种纳米位移台扫描运动控制系统及其实现方法 |
| CN209302785U (zh) * | 2018-09-20 | 2019-08-27 | 北京怡天佳瑞科技有限公司 | 微流控芯片、含有该微流控芯片的装置 |
| US20200246793A1 (en) * | 2019-01-31 | 2020-08-06 | FemtoDx | Nanowire fet biomolecule sensors with integrated electroosmotic flow |
| CN113546698A (zh) * | 2020-04-24 | 2021-10-26 | 京东方科技集团股份有限公司 | 微纳流控芯片及其制造方法、微纳流控系统 |
| CN215932402U (zh) * | 2021-08-16 | 2022-03-01 | 雅科贝思精密机电(上海)有限公司 | 一种高速3d打印运动控制系统 |
-
2022
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101665238A (zh) * | 2009-09-15 | 2010-03-10 | 天津大学 | 一种微纳放电加工微三维结构的方法和系统 |
| CN103395058A (zh) * | 2013-07-12 | 2013-11-20 | 兰州大学 | 一种纳米机器人控制设备 |
| CN105600743A (zh) * | 2016-01-27 | 2016-05-25 | 东南大学 | 3d实体电极介电泳纳米线操控系统 |
| CN109062268A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-21 | 中国科学院电工研究所 | 一种纳米位移台扫描运动控制系统及其实现方法 |
| CN209302785U (zh) * | 2018-09-20 | 2019-08-27 | 北京怡天佳瑞科技有限公司 | 微流控芯片、含有该微流控芯片的装置 |
| US20200246793A1 (en) * | 2019-01-31 | 2020-08-06 | FemtoDx | Nanowire fet biomolecule sensors with integrated electroosmotic flow |
| CN113546698A (zh) * | 2020-04-24 | 2021-10-26 | 京东方科技集团股份有限公司 | 微纳流控芯片及其制造方法、微纳流控系统 |
| CN215932402U (zh) * | 2021-08-16 | 2022-03-01 | 雅科贝思精密机电(上海)有限公司 | 一种高速3d打印运动控制系统 |
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