基于光致变形微纳夹持器的三维纳米操作机器人研究

Nanomanipulation based on Atomic Force Microscope (AFM) is obviously very important to the development of nanotechnology. The work space of nanomanipulation based on a single probe of AFM is limited in a two-dimensional (2D) space by the nature of AFM until now, and it can't realize the controllable grip-and-place manipulation in three-dimension (3D) space. To realize the grip-and-place 3D manipulation, we need a new nanomanipulation technology to extend the work space from 2D to 3D. In this application, combining a new smart material drive & control technology and the AFM nanomanipulation robot technology, we propose a new 3D nanomanipulation robot based on a novel micro-gripper. Based on the deformation and force modeling of the micro-gripper movable tip to realize open-close and gripping force controllable, the controllable grip-place manipulation is realized, which extends the work space from 2D to 3D. The proposed method and system will be used in many fields, such as placement and arrangement of micro/nano-particles in 3D space, assembly and fabrication of3D nano-structure and nano-device, single-molecule (biotic and abiotic) manipulation and etc., which will promote the development of related nanotechnology fields.

原子力显微镜（AFM）纳米操作对于纳米技术发展的重要性不言而喻，但到目前为止AFM单探针纳米操作始终受限于二维的平面操作，无法实现可控的夹取/放置三维操作，迫切需要一种三维纳米操作方法与技术来突破这种限制。本课题申请提出一种基于新型微纳夹持器的三维纳米操作机器人方法与技术，结合新型智能材料驱动控制技术和基于AFM的纳米操作机器人技术，在研制的新型微纳夹持器基础上，通过对微纳夹持器可动端变形及夹持力的建模研究，实现对夹持器开/合大小及夹持力的控制，并根据夹持器-微粒-基底之间作用力的研究采用三维纳米操作策略，从而将二维平面操作扩展到三维空间操作，实现对纳米微粒的可控夹取/放置三维操作。课题研究成果将在纳米微粒的三维定位放置与排列、三维纳米结构与器件的装配制造、以及（生物或非生物）单分子的操作研究等相关领域获得广泛应用，促进我国相关纳米技术领域的发展。

近年来，鉴于微型操作及微型机器人在微尺度环境下进行探索与检测、微尺度组装、生物医疗等方面具有巨大的应用潜力，受到了研究者们的广泛重视。对此，本课题创造性的提出结合新型智能材料、使用光能远程驱动和控制的方法，来探索研制光驱动下的新型微操作系统及光驱动微型作业机器人，实现微尺度环境下对微粒的各种操作。具体而言，本课题在光变形材料变形特性和输出力特性研究的基础上，研制了基于光致变形材料的新型微纳夹持器，并构建了基于此新型夹持器的三维微操作系统；在夹持器夹持力的建模基础上，通过光路控制及操作策略规划，实现了对微粒的三维操作。另外，在上述光致变形材料特性和微操作夹持的研究基础上，还探索研制了带夹持器的光驱动微型游动机器人，实现了对微粒的夹取、捕获、转移及释放等操作，验证了光驱动微型操作的有效性。.通过上述系统性的研究，探索研究了新型的光驱动微型夹持系统及光驱动微型游动机器人系统，实现了光驱动下的微尺度操作、光驱动下的微型机器人游动及操作作业。本课题研究具有如下创新性：.1、首次建立了光致变形材料在静态和动态条件下的输出力模型，并通过对光致变形材料模型的研究，揭示了影响光致变形材料性能的主要因素。.2、结合使用光致变形材料，创新性的研制出了新型光驱动微型夹持器，实现了光驱动和控制的精确微操作。.3、首次提出并研制成功了光驱动微型游动机器人，在光场作用下首次成功实现了可控的机器人游动及操作作业，解决了微纳尺度下机构和机器人供能与控制的难题。.此类新型微型执行器和微型作业机器人的研制成功，将会对相关领域微操作、微型机器人的科技进展产生积极的推动作用。