仿水黾磁微机器人运动机理及其操作微构件的方法研究

Compliant assemblies of microparts in narrow spaces is often demanded in manufacturing integrated microdevices such as micro target devices. However, the current micromanipulation technology based on serial and orthogonal multi-degree-of-freedom micromanipulators are difficult to perform such tasks due to the complex system structures. Inspired by excellent performances of water striders, this project investigates the locomotion mechanisms of magnetic microrobots inspired by them and the micromanipulation methods based on the microrobots according to the compliant air/liquid interfaces. First, constructions and static performances of the magnetic microrobots will be studied referencing the superhydrophobic legs and sliding modes of water striders. Second, locomotion mechanisms and control of the microrobots at air/liquid interfaces will be explored according to the magnetic field modes. Then micromanipulation methods including trapping, orienting, transporting and releasing microparts will be determined based on the interactions between the microrobot and microparts. The micromanipulation is especially for compliant microassembly in narrow spaces. Finally, a system will be built combining the structure, actuation and sensing of the magnetic microrobots inspired by water striders. A series of experiments will be conducted to verify the related mechanisms and methods. The research has important scientific significance and application values for micromanipulation robots.

面向微靶器件等集成化微器件制造中常需在狭小空间内实现柔顺微组装的需求，针对目前串联正交式多自由度微操作手难以实现“微型化”和“柔顺化”的不足，本项目借鉴水黾在水面的优异性能，基于气/液界面的柔顺特征，提出具有狭小空间内柔顺操作能力的仿水黾磁微机器人及其操作微构件的方法。首先借鉴水黾腿部超疏水特性和滑动运动方式，研究仿水黾磁微机器人构建方式与静态特性。其次根据外磁场产生方式，探索气/液界面仿水黾磁微机器人运动机理与控制。然后面向狭小空间内柔顺微组装作业需求，基于微机器人和微构件之间的相互作用，确立仿水黾磁微机器人对微构件捕获、定向、传输和释放等操作方法。最后结合仿水黾磁微机器人结构、驱动和传感构建仿水黾磁微机器人系统，开展其运动特性和操作微构件方法的综合实验研究，验证相关机理和方法的正确性。项目的研究对于微操作机器人的发展具有重要的科学意义和应用价值。

随着微器件集成化和功能化的进一步发展，对微操作技术的要求也日益增加。目前常用的微操作系统难以适应狭小空间内多种形状和多种材料微构件柔顺操纵需求。.本项目借鉴水黾在水面的优异漂浮和运动性能，基于气/液界面的柔顺特性，提出工作于气/液界面的仿水黾无线磁微机器人，研究其运动机理和特性，探索基于磁微机器人的气/液界面微构件操作方法，实现气/液界面仿水黾磁微机器人的高精度运动和可控操作。.项目分析了典型微结构在液面上的静力学特性，建立了磁微机器人在液面运动时的力学模型，揭示了仿水黾磁微机器人的运动机理。在仿水黾磁微机器人构建方面，分别制备了双腿、四腿和六腿结构微机器人。构建了以Helmholtz线圈为基础的磁微机器人驱动装置，探究了磁微机器人的加工方法。使用PDMS等材料制作了微机器人的部件，确立了适用于不同结构的微加工方法。基于液面上磁性圆盘间的磁偶极作用，设计了基于圆盘自组装的多种磁微机器人。.根据液面微操作任务的特点，将基于仿水黾磁微机器人的微操作方法分为接近和捕获、定向传输、释放三部分，该微操作策略通过机器人和微构件之间的横向毛细力调控实现。制定了直链磁微机器人传输微构件的策略，获得了单个直链机器人的传输特性，传输速度可达每秒2倍微球直径以上。利用直链微机器人运动反转特性设计了其协调控制方法，实现了同一磁场下两直链沿不同路径的运动，以此为基础提出了直链磁微机器人协同传输微构件的方法，通过此方法实现了液面上微构件的组装。提出了可变形长链磁微机器人传输微构件的方法，探究了低磁场强度下微机器人传输构件时的运动特点，分析了被传输微构件对微机器人运动的影响。结果表明可根据不同磁场下微机器人传输运动的规律，选择合适的磁场参数控制长链微机器人沿所需方向传输微构件，完成相应的操作任务。.项目的研究对于微操作和仿生微机器人等领域的进一步发展具有重要的科学意义和应用价值。.