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沈阳自动化所利用激光开发出气泡微型机器人可实现生物医学应用

日期:2022年08月02日

       江苏激光联盟介绍:机器人在工厂中被广泛使用, 可以制造汽车、油漆飞机和缝制衣服, 但生物医学应用等微观部件的组装还没有实现自动化。使用激光可能是解决方案。沉阳自动化研究所的研究人员使用激光从气泡中生成微型机器人, 这些气泡可以将小块提升、掉落和操纵成相互连接的结构。这项研究的结果出现在 ACSAppliedMaterials操纵单个微模块并控制其 3D 姿势。
       然而, 无论是2D组装还是3D组装, 都不能直接将模块组合成一个整体且难以分离的结构。因此, 将微型零件组装成连接的实体仍然是一个挑战。为了将独立组件连接起来, 然后将它们作为单个实体移动, 并实现气泡微型机器人的 3D 操纵和构建能力, 中科院沉阳自动化研究所的研究人员提出了一种将独立组件集成到非-separable 组装实体中的新方法。下面的视频展示了两个带尾部和插座的微型零件的集成组装过程。首先, 将带尾巴的部分和带插座的部分放在一起。其次, 在带有尾巴的微型零件下方制作了具有升降功能的气泡机器人, 它像千斤顶一样将微型零件抬起。然后另一部分被另一个移动的泡泡机器人推到指定位置。最终, 随着第一个气泡溶解, 被抬起的部分落下, 将其尾部嵌入插座中。这样, 一对通过燕尾接头连接的微型零件就组装好了。
       此外, 组装的零件形成一个实体, 可以在 2D 平面内任意移动而不会分离。气泡机器人用作千斤顶, 在 3D 空间中旋转微型零件, 从而实现在 2D 平面中无法实现的复杂装配过程。此外, 还组装了包括齿轮、蛇形链和车辆在内的其他结构, 这表明所提出的方法可用于组装不同类型的微型零件。此外, 使用激光微气泡, 聚焦和强大的光束, 可以在三维空间中旋转形状, 如下图所示。激光束聚焦在芯片上以产生和控制光热产生的表面气泡。为了控制光热产生的气泡的生长速度和大小, 利用信号发生器的方波信号输出进行间歇性激光照射。调制信号的占空比越高, 信号的占空比就越高。如下图A所示, 激光停留在一个周期内的时间比例, 气泡生长得越快。在以 100 Hz 运行激光 1 分钟后, 由于控制信号的占空比不同, 气泡的大小也发生了变化。气泡的生长速度也可以通过调整信号的频率来改变。但是, 如果频率太低,

气泡的变化就会呈现出明显的周期性。否则, 如果频率太高, 可能不会产生气泡。当频率为 100 Hz 时, 气泡的生长过程是平滑且可调的。
       因此, 本文控制气泡生长速率的方法是改变占空比, 而气泡的频率保持不变。 ▲ 图 2. (A) 在不同占空比下产生的气泡。 (B) 气泡直径在形成和溶解过程中的变化。 (C) 气泡体积和溶解时间。 (D) 液体区域的等温线图。两张图的时间差是半个周期。 (E) 作为时间函数的最高和平均温度和流速。
        (F) 温度梯度、流速和方向。 (DF) 中的占空比为 50%。 (G) 不同占空比下的最大和平均流速。 (AC) 实验结果和 (DG) 模拟结果。研究研究人员通过将激光聚焦在由树脂制成的小部分下, 在水中制造了微气泡。通过快速打开和关闭激光来控制气泡的大小, 打开位置的时间越长,

气泡越大。然后, 该团队通过移动激光的位置制作了一个移动的泡泡机器人。关闭激光后, 气泡会慢慢溶解, 使树脂滴落到位。然后, 该团队将多个具有不同功能的气泡组合在一起, 生产出可以升降部件、将单个部件移动到指定位置、充当旋转轴或推动组装物体的微型机器人。各个关节之间牢不可破的连接产生了三齿和四齿齿轮、蛇形链条和微型 3D 车辆。研究人员说,

气泡微型机器人对制造业的未来有影响, 包括生物组织工程。蛇形结构的组装和移动气泡驱动车辆的运动

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