基于溶胀原理的螺旋形微型机器人制备方法的研究

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螺旋形微型机器人在医学领域、细胞生物学和芯片实验室上有着巨大的应用潜力。在低雷诺数流体环境下,粘滞力将远远大于惯性力的作用,普通的往复式运动将不会引起位移(“扇贝”理论),这一结论是与直觉相悖的。受到自然界的启发,带有螺旋形鞭毛的细菌(如大肠杆菌)在该环境中展现出优越的游泳性能。因此,仿生螺旋形微型机器人的制备一直是近些年研究热点。本文提出了光刻-镀膜-湿法刻蚀三步法的制备方法,能高产量、低成本、可控化制备出螺旋形微型机器人。此外,进一步探索该制备方法中蕴含的实验原理,找到了光刻胶的溶胀作用导致了应力的产生,进而使得二维形状卷曲形成三维的螺旋形微结构。利用这一原理,通过改变二维模板的参数,对螺旋形微型机器人的几何形状实现了可控化制备。本论文采用旋转均匀磁场对螺旋形微型机器人进行了游泳性能表征,验证了运动速度与螺旋形微型机器人半径和体长的关系,运动速度与频率之间的线性关系,这些都是与目前已有的理论结果是相吻合的。在文末,还提出了反馈控制策略实现了螺旋形微型机器人沿着预定轨迹运动的控制。本文通过对螺旋形微型机器人制备方法和运动性能的研究,得到如下结论:第一,基于矩形模板的溶胀是各向同性的过程,因此卷曲方向不可控;而基于平行四边形模板的溶胀是各向异性的过程,卷曲方向将沿着垂直于短边方向;第二,以平行四边形模板制备螺旋形微型机器人,制备所得机器人的螺旋角约等于平行四边的倾斜角,螺旋形微型机器人的匝数也与模板长度成正比;第三,在测速过程中,螺旋形微型机器人游泳姿态受到外部磁场强度的影响。在保证游泳姿态相同的情况下,速度与频率之间的线性度更好。第四,利用反馈控制策略较为精准地实现了微型机器人的自主控制。本论文主要研究了螺旋形微型机器人的制备和控制两大方面。在制备方法上,简化了目前已有的制备方法,高效且低成本地实现了螺旋形微型机器人的量产。众所周知,在人体内如靶向送药的医疗任务中需要大量的微型机器人进行共同操作完成。因此,该制备方法的提出将为未来的医疗任务提供了原材料。随着反馈控制策略进一步的被验证,这也说明了螺旋形微型机器人能在未来的靶向治疗中实现精确治疗,让医疗微型机器人朝着产业化更进一步。
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