CN115448039A - 一种微型磁控运载机器人装置及运载方法 - Google Patents
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Abstract
一种微型磁控运载机器人装置及运载方法，包括驱动模块、收集模块和释放模块，所述驱动模块和释放模块分别设置于收集模块的两侧；驱动模块能够在磁场的驱动下带动机器人装置整体移动；收集模块能够在机器人装置移动过程中对待运载物进行收集；释放模块能够在磁场的作用下对收集的运载物进行释放。机器人装置的装载与卸载过程均通过外部磁场操制，避免了传统释放机制对环境的依赖。在运载微小颗粒时可以将被运载物装载于收集模块与释放模块中，通过施加超低频螺旋磁场或施加稳恒磁场，扭曲释放模块中的柔性连接片，从而扩大间隙，将被运载物质从释放模块中挤出。这种实时、快速的磁控释放机制可以极大提高卸载速度，提升运载效率。
Description
技术领域
本发明涉及微型机器人技术领域，尤其涉及一种微型磁控运载机器人装置及运载方法。
背景技术
微型机器人尺度微小（体长小于厘米量级），能实现限域空间内的物质运输、信息采集、能量传递等功能，在生物医学、环境监测、微加工等领域具有重要应用价值。从能量来源划分，微型机器人可粗略分为化学能源与外场能源驱动两大类。磁场驱动是外场能源驱动的典型方式，它具有远程操控性好、能量来源稳定、运动模式多样等联合优势，被广泛应用于微型运载机器人驱动中。例如，近年来有研究人员利用磁场驱动的表面改性的螺旋型微米机器人，实现了小分子药物的负载、定向输运及靶向释放。另外，也有研究人员利用磁驱笼式机器人，实现了PS微球的捕获、运载与定点释放。这些磁场驱动的微型运载机器人在药物靶向输运、细胞分离、微颗粒捕获、微加工等领域展现了重大的应用潜力。
尽管如此，当前磁驱微型运载机器人还存在一些共性技术难题，阻碍了其应用场景的扩展。譬如，一般磁驱微型运载机器人是通过表面静电吸附作用或开放笼式结构对输运物质（如药物颗粒）进行装载的。这会使被运输物质曝露于环境溶液之中，导致微环境污染或被运载物质提前脱落。此外，被运载物质的快速卸载也是一个技术难题。通常的微型运载机器人采取环境刺激（例如酸、碱性环境）的方式，使被运载物质脱附。这种卸载方式耗时很长，不利于微颗粒或药物的快速靶向运输。最近，也有通过机器人倒退卸载开放笼中颗粒物的方法，但这种方法每次只能运输单个颗粒，也极大的降低了机器人输运效率。
综上所述，提出一种微型磁控运载机器人，具有安全的装载方式，能够将被输运物质与环境隔离，并具有在线、快速的运载和卸载能力，将在生物医学、微加工等领域具有重要的应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种微型磁控运载机器人装置，能够实现被运载微颗粒物质的封闭运输及卸载。
本发明要解决的另一个技术问题是：提供一种采用微型磁控运载机器人装置进行实时、快速运载的方法。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种微型磁控运载机器人装置，包括驱动模块、收集模块和释放模块，所述驱动模块和释放模块分别设置于收集模块的两侧；
所述驱动模块能够在磁场的驱动下带动机器人装置整体移动；
所述收集模块能够在机器人装置移动过程中对待运载物进行收集；
所述释放模块能够在磁场的作用下对收集的运载物进行释放。
所述驱动模块为具有铁磁性的螺旋结构，螺旋结构一端连接在收集模块上。
所述收集模块包括多个弧形叶片，弧形叶片位于驱动模块的一侧设有圆形薄板，位于释放模块的一侧设有多缝磁板，各弧形叶片绕圆形薄板圆形阵列层叠排列，各弧形叶片之间留有缝隙，缝隙宽度外大内小。
所述释放模块包括多个柔性的连接片，各连接片呈环形整列排列，一端与收集模块的多缝磁板连接，另一端与磁性封板连接，各连接片之间留有间隙，所述多缝磁板和磁性封板在磁场的作用下能够扭转各连接片。
所述螺旋结构至少有三个完整螺旋，且总长度小于0.5厘米。
各所述弧形叶片之间的缝隙最窄处小于500微米。
所述多缝磁板上的孔缝为矩形，孔缝宽度小于500微米，且多缝磁板的第二磁化方向均沿孔缝长轴方向。
所述连接片沿着长对角线方向有折痕,各连接片之间所留间隙小于0.1微米。
所述磁性封板的第一磁化方向与多缝磁板的第二磁化方向呈夹角，夹角大于30度，小于80度。
一种微型磁控运载机器人装置的运载方法，利用所述的一种微型磁控运载机器人装置来实现，包括以下步骤：
S1. 在垂直于机器人装置长度方向设置螺旋磁场，螺旋磁场设于驱动模块一侧；
S2. 机器人装置在螺旋磁场的驱动下，通过驱动模块旋转从而带动机器人装置整体前进与后退；
S3. 在其中一样品池中分布有待运载物的悬浊液，机器人装置在螺旋磁场的驱动下行进至目标样品池后不断螺旋翻滚前进，通过收集模块外宽内窄的缝隙进入收集模块，并且经由多缝磁板扩散至释放模块内部；
S4. 待机器人装置在螺旋磁场的驱动下行进至下一目标样品池后，通过施加频率低于0.5赫兹的交变磁场，或直接施加稳恒磁场，诱导释放模块顶端的磁性封板与多缝磁板同时转向外加磁场方向，从而扭转释放模块的连接片；
S5. 各连接片在磁力扭转下，沿着折痕弯折，扩大各连接片间的间隙，从而使被运载物从释放模块中快速挤出。
本发明有如下有益效果：
1、机器人装置的装载与卸载过程均通过外部磁场操制，避免了传统释放机制对环境的依赖。在运载微小颗粒时可以将被运载物装载于收集模块与释放模块中，这使得被运载物质与外界环境产生了相对隔离，有利于保护被运载物质，且有利于防止微环境污染。通过施加超低频螺旋磁场或施加稳恒磁场，扭曲释放模块中的柔性连接片，从而扩大间隙，将被运载物质从释放模块中挤出。这种实时、快速的磁控释放机制可以极大提高卸载速度，提升运载效率。
2、圆形薄板为弧形叶片提供安装支撑，各弧形叶片之间留有缝隙，缝隙宽度外大内小，便于在旋转中获取待运载物，且使待运载物不易脱出收集模块。多缝磁板上的孔缝便于待运载物从收集模块进入到释放模块。
3、连接片沿着长对角线方向有折痕,便于连接片在磁力的作用下便于折叠，使间隙在释放阶段时变大，从而快速的卸载释放模块内的待运载物。
4、磁性封板的第一磁化方向与多缝磁板的第二磁化方向呈夹角，从而能够在磁力的作用下，诱导磁性封板与多缝磁板同时转向外加磁场方向，从而扭转连接片，体积变小，从而释放出待运载物。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明驱动模块与收集模块连接结构示意图。
图3为本发明收集模块弧形叶片结构示意图。
图4为本发明多缝磁板结构及磁化取向示意图。
图5为本发明释放模块结构示意图。
图6为本发明的磁性封板结构与磁化取向示意图。
图7为本发明运载与释放微颗粒示意图。
图中：驱动模块1，收集模块2，释放模块3，圆形薄板4，弧形叶片5，多缝磁板6，孔缝61，第二磁化方向62，连接片7，间隙71，折痕72,磁性封板8，第一磁化方向81，螺旋磁场20，稳恒磁场30。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例一：
参见图1-7，一种微型磁控运载机器人装置，包括驱动模块1、收集模块2和释放模块3，所述驱动模块1和释放模块3分别设置于收集模块2的两侧；
所述驱动模块1能够在磁场的驱动下带动机器人装置整体移动；
所述收集模块2能够在机器人装置移动过程中对待运载物进行收集；
所述释放模块3能够在磁场的作用下对收集的运载物进行释放。
通过上述结构，机器人装置的装载与卸载过程均通过外部磁场操制，避免了传统释放机制对环境的依赖。在运载微小颗粒时可以将被运载物装载于收集模块2与释放模块3中，这使得被运载物质与外界环境产生了相对隔离，有利于保护被运载物质，且有利于防止微环境污染。通过施加超低频螺旋磁场或施加稳恒磁场，扭曲释放模块3中的柔性连接片7，从而扩大间隙71，将被运载物质从释放模块3中挤出。这种实时、快速的磁控释放机制可以极大提高卸载速度，提升运载效率。
参见图1、2，所述驱动模块1为具有铁磁性的螺旋结构，螺旋结构一端连接在收集模块2上。螺旋结构由钛钴合金通过旋转磁控溅射制备而成，通过氧化硅材质的圆形薄板4与收集模块2连接。通过磁场驱动螺旋结构旋转，从而带动机器人装置整体移动。
参见图1、3，所述收集模块2包括多个弧形叶片5，弧形叶片5位于驱动模块1的一侧设有圆形薄板4，位于释放模块3的一侧设有多缝磁板6，各弧形叶片5环绕圆形薄板4圆形阵列层叠排列，各弧形叶片5之间留有缝隙，缝隙宽度外大内小。具体的，弧形叶片5为聚对苯聚甲酸乙二酯（PET）材质，多缝磁板6通过四氧化三铁粉末压制。圆形薄板4为弧形叶片5提供安装支撑，各弧形叶片5之间留有缝隙，缝隙宽度外大内小，便于在旋转中获取待运载物，且使待运载物不易脱出收集模块2。多缝磁板6上的孔缝便于待运载物从收集模块2进入到释放模块3。
参见图1、5，所述释放模块3包括多个柔性的连接片7，各连接片7呈环形整列排列，一端与收集模块2的多缝磁板6连接，另一端与磁性封板8连接，各连接片7之间留有间隙71，多缝磁板6和磁性封板8在磁场的作用下能够扭转各连接片7。具体的，连接片7为聚二甲基硅氧烷（PDMS）材质，磁性封板8为钴铁材质。
参见图1、2，螺旋结构至少有三个完整螺旋，且总长度小于0.5厘米，使机器人装置能够稳定的运动。
具体的，各弧形叶片5之间的缝隙最窄处小于500微米。
具体的，多缝磁板6上的孔缝61为矩形，孔缝61宽度小于500微米，且多缝磁板6的第二磁化方向62均沿孔缝61长轴方向。
为了便于连接片7在磁力的作用下便于折叠，使间隙71在释放阶段时变大，从而快速的卸载释放模块3内的待运载物，参见图5，在连接片7沿着长对角线方向有折痕72。为了在运输阶段释放模块3内的待运载物不脱出，各连接片7之间所留间隙71小于0.1微米。
参见图5、6，磁性封板8的第一磁化方向81与多缝磁板6的第二磁化方向62呈夹角，夹角大于30度，小于80度，从而能够在磁力的作用下，诱导磁性封板8与多缝磁板6同时转向外加磁场方向，从而扭转连接片7，使各连接片7之间的间隙增大，体积变小，从而释放出待运载物。优选的，第一磁化方向81与第二磁化方向62呈45度夹角。
实施例二：
一种微型磁控运载机器人装置的运载方法，利用所述的一种微型磁控运载机器人装置来实现，包括以下步骤：
S1. 在垂直于机器人装置长度方向设置螺旋磁场20，螺旋磁场20设于驱动模块1一侧；
S2. 机器人装置在螺旋磁场20的驱动下，通过驱动模块1旋转从而带动机器人装置整体前进与后退；
S3. 在其中一样品池中分布有待运载物的悬浊液，机器人装置在螺旋磁场20的驱动下行进至目标样品池后不断螺旋翻滚前进，通过收集模块2外宽内窄的缝隙进入收集模块2，并且经由多缝磁板6扩散至释放模块3内部；
S4. 待机器人装置在螺旋磁场20的驱动下行进至下一目标样品池后，通过施加频率低于0.5赫兹，强度为200毫特斯拉的交变磁场，或直接施加200毫特撕拉的稳恒磁场30，诱导释放模块3顶端的磁性封板8与多缝磁板6同时转向外加磁场方向，从而扭转释放模块3的连接片7；
S5. 各连接片7在磁力扭转下，沿着折痕72弯折，扩大各连接片7间的间隙71，从而使被运载物从释放模块3中快速挤出。
实施例三：
在垂直于机器人装置长度方向的螺旋磁场20驱动下，通过驱动模块1旋进能带动机器人整体前进与后退。在某一样品池中分布有磷酸奥司他韦颗粒悬浊液。机器人装置在螺旋磁场驱动下行进至目标样品池后不断螺旋翻滚前进，因而能够通过收集模块2外宽内窄的缝隙进入收集模块2，并且经由多缝磁板6扩散至释放模块3内部。待机器人装置在螺旋磁场20驱动下行进至下一目标样品池后，通过施加频率低于0.5赫兹，强度为200毫特斯拉的交变磁场，或直接施加200毫特撕拉的稳恒磁场30，诱导释放模块3顶端的磁性封板8与多缝磁板6同时转向外加磁场方向，从而扭转释放模块3的柔性矩形连接片7。各连接片7在磁力扭转下，沿着折痕72方向弯折，扩大各连接片7的缝隙，从而使被运载的奥司他韦颗粒从释放模块3中快速挤出。这种封闭运输、实施受控释放功能使得本发明在生物医学、微操纵等领域具有重要应用潜力。
Claims (10)
1.一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：包括驱动模块（1）、收集模块（2）和释放模块（3），所述驱动模块（1）和释放模块（3）分别设置于收集模块（2）的两侧；
所述驱动模块（1）能够在旋转磁场的驱动下带动机器人装置整体移动；
所述收集模块（2）能够在机器人装置移动过程中对待运载物进行收集；
所述释放模块（3）能够在磁场的作用下对收集的运载物进行释放。
2.根据权利要求1所述的一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：所述驱动模块（1）为具有铁磁性的螺旋结构，螺旋结构一端连接在收集模块（2）上。
3.根据权利要求1所述的一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：所述收集模块（2）包括多个弧形叶片（5），弧形叶片（5）位于驱动模块（1）的一侧设有圆形薄板（4），位于释放模块（3）的一侧设有多缝磁板（6），各弧形叶片（5）绕圆形薄板（4）圆形阵列层叠排列，各弧形叶片（5）之间留有缝隙，缝隙宽度外大内小。
4.根据权利要求1所述的一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：所述释放模块（3）包括多个柔性的连接片（7），各连接片（7）呈环形整列排列，一端与收集模块（2）的多缝磁板（6）连接，另一端与磁性封板（8）连接，各连接片（7）之间留有间隙（71），所述多缝磁板（6）和磁性封板（8）在磁场的作用下能够扭转各连接片（7）。
5.根据权利要求2所述的一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：所述螺旋结构至少有三个完整螺旋，且总长度小于0.5厘米。
6.根据权利要求3所述的一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：各所述弧形叶片（5）之间的缝隙最窄处小于500微米。
7.根据权利要求3或4所述的一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：所述多缝磁板（6）上的孔缝（61）为矩形，孔缝（61）宽度小于500微米，且多缝磁板（6）的第二磁化方向（62）均沿孔缝（61）长轴方向。
8.根据权利要求4所述的一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：所述连接片（7）沿着长对角线方向有折痕（72）,各连接片（7）之间所留间隙（71）小于0.1微米。
9.根据权利要求4所述的一种微型磁控运载机器人装置，其特征在于：所述磁性封板（8）的第一磁化方向（81）与多缝磁板（6）的第二磁化方向（62）呈夹角，夹角大于30度，小于80度。
10.一种微型磁控运载机器人装置的运载方法，其特征在于：利用权利要求1~9所述的一种微型磁控运载机器人装置来实现，包括以下步骤：
S1. 在垂直于机器人装置长度方向设置螺旋磁场（20），螺旋磁场（20）设于驱动模块（1）一侧；
S2. 机器人装置在螺旋磁场（20）的驱动下，通过驱动模块（1）旋转从而带动机器人装置整体前进与后退；
S3. 在其中一样品池中分布有待运载物的悬浊液，机器人装置在螺旋磁场（20）的驱动下行进至目标样品池后不断螺旋翻滚前进，通过收集模块（2）外宽内窄的缝隙进入收集模块（2），并且经由多缝磁板（6）扩散至释放模块（3）内部；
S4. 待机器人装置在螺旋磁场（20）的驱动下行进至下一目标样品池后，通过施加频率低于0.5赫兹的交变磁场，或直接施加稳恒磁场（30），诱导释放模块（3）顶端的磁性封板（8）与多缝磁板（6）同时转向外加磁场方向，从而扭转释放模块（3）的连接片（7）；
S5. 各连接片（7）在磁力扭转下，沿着折痕（72）弯折，扩大各连接片（7）间的间隙（71），从而使被运载物从释放模块（3）中快速挤出。
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2022
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