超微量点胶方法与实验

针对微装配/密封工程对用胶量超微化（≤1 pL）的需求,提出了一种既适用于接触式点胶,也适用于非接触式点胶的超微量点胶方法.采用移液针穿过装有胶液的玻璃微管,在移液针先端吸附微小胶滴,当移液针先端靠近点胶面时,其先端吸附的微小胶滴与点胶面接触,移液针离开点胶面后,微小胶滴的一部分将残留在点胶面上,实现超微量点胶.通过匹配点胶的参数,实现点胶量的控制.该方法可以适用于任何黏度（1～3.5×105 cP）的胶液、任意空间方向的超精密点胶.实验讨论了移液针直径和点胶距离（移液针先端与点胶面的距离）对点胶性能（胶斑直径）的影响；在此基础上,匹配移液针直径、点胶距离、玻璃微管内径和点胶速度等参数,实现了胶液黏度为971 cP,点胶量为40 fL、170 fL、180 fL在3种亲水性不同的点胶面上的微量点胶；以及胶液黏度为3×104 cP,胶斑直径为243.9 μm时的超微量点胶.实验结果验证了提出方法的可行性.

压电陶瓷驱动微小型机器人的运动分析与仿真

为满足桌面工厂对机器人在平面内大行程、高精度和全方位运动的要求,研制了一种压电陶瓷驱动的微小型机器人.该机器人采用stick-and-slip运动原理,通过压电陶瓷和电磁铁的配合动作,在铁磁性工作表面上实现了前进、后退、左转、右转和原地旋转运动.在假设平行配置的压电陶瓷驱动器在每一步的运动过程中保持平行基础上,分析了一步运动中机器人的4个支撑脚的坐标变化情况,进而推导出在该条件下反映机器人位姿变化的运动学差分模型.计算结果显示,机器人直线运动最大步长为0.042 0 mm,旋转运动最大偏转角度为0.185°/步.通过开环轨迹控制、点-点位姿控制和路径跟踪闭环控制实验,验证了机器人应用于桌面工厂时的可行性.

基于漩流的细胞姿态控制方法

细胞姿态调整是生物工程显微操作中一项非常重要的工作。提出通过两微管喷射流体产生漩流,漩流带动细胞转动,进行非接触式的细胞姿态控制的方法。改变微管之间的相对位置、喷射速度和微管内径等参数,可以控制微管之间产生的漩流强度、尺寸,以适应不同尺寸、形状的细胞以及培养溶液的变化,使显微操作更为方便。建立显微操作环境下微流场漩流中细胞运动模型,模拟微观尺度下利用微流体产生漩流和细胞在漩流中的运动,仿真分析微管相对位置、喷射速度等参数对漩流及细胞运动特性的影响。通过试验进一步研究微流场中漩流的产生以及不同形状漩流作用下细胞的运动特性,得到与数值计算结果相一致的结论。

旋流驱动微粒转动的性能与实验

分析了旋流产生的机制及其驱动微粒运动的机理,建立了颗粒在旋流中的力学模型。以微米级的颗粒(几微米到几百微米)为例,分析了两支微管对向喷射所产生的旋流场的特点和颗粒在旋流场中的受力情况以及运动特点和运动规律。讨论了颗粒的尺寸、形状、位置变化对其旋转性能的影响,并通过实验验证了提出方法的可行性。分析和实验表明:两支平行微管相对喷射可以产生旋流,旋流可以驱动颗粒在其流场内稳定旋转。颗粒在旋流场内的运动性能与流场参数和微粒的形状、尺寸、偏心有关,减小颗粒的初始位置的偏心,减少公转成分,有利于颗粒姿态的捕捉和调整。即使颗粒参数变化,合理匹配流场参数,提出的方法仍然可以可以稳定地驱动颗粒转动。

液滴机械手的数值仿真与试验研究

为分析液滴机械手的控制机理,建立液滴机械手的流体动力学仿真模型,仿真分析液滴机械手的控制机理,研究机械手端面形成液滴的形态跟随机械手端面形状的变化关系,讨论影响液滴机械手性能的因素,并通过试验验证仿真模型的正确性和提出方法的可行性.数值仿真和试验结果表明:通过控制各钨丝棒的上下移动量,可以改变液体和各钨丝棒的接触壁面,使机械手端面形成液滴的形态随之改变;基于表面张力吸附在液滴上的微小部件的姿态将随着液滴形态的改变而变化,从而可以实现对于微小部件姿态的控制.适当调整机械手的参数,如钨丝棒的数目、尺寸、各钨丝棒的移动量,以及改变液滴的性质等,可以满足微装配过程中各种操作目标的要求.

基于微流体的微粒捕获与移动

微粒的捕获与移动广泛应用在生物工程、医药、微装配、化学分析、材料性能评定等各个领域。基于微流体提出一种新型微粒捕获与移动方法:通过对向放置在微粒两端的微管,向微粒喷射流体,形成流场;利用流场在微粒表面形成的压力包容面来捕获﹑挟持微粒,实现微粒的捕获与移动。以微米级微粒为例,详细分析微粒捕获与移动原理,通过仿真讨论颗粒捕获和把持的流场条件,解析微流体捕获、移动颗粒的动态过程,并通过试验证明建立模型的正确性和提出方法的可行性。研究和试验结果表明,通过两支微管对向喷射流体可以捕获和移动微粒。根据微粒的大小,溶液的黏度等参数,合理匹配流场参数,提出的方法可以捕获和移动任意尺寸的微粒,并可以使其按照微管移动方向,控制微粒做定向、定量运动,实现无接触地微粒的位置控制。

转印式pL级液体分配方法的性能分析与实验

高黏度液体的pL级微量分配和狭小空间内的点样是微量液体分配的难点,针对这个问题,文中从机理上分析了影响转印式pL级点样性能的因素,通过实验研究了液体黏度、移液针的移动速度、停留时间、液窝对点样性能的影响,实现了高黏度(5、30Pa·s)的pL级液体分配和窄缝内(0.5mm×20mm)的微量点样.研究结果表明:低速点样时,液体分配量随着液体黏度的增加呈增加趋势,且受移液针停留时间的影响较小;高速点样时,液体黏度对液体分配量的影响较小,但移液针的停留时间对点样量有较大的影响;通过合理匹配参数,转印式液滴分配方法可以有效地抑制液窝的生成,减小随机因素的影响,实现高黏度液体的高准确性、高一致性pL级超微量点样和狭小空间内的封装点样.

跳跃式移动机构的移动机理及实验研究

介绍了一种新型跳跃式移动机构 ,阐述了该机构的移动机理及其控制方法。跳跃式移动机构采用小型振动电机作为驱动 ,利用电机内偏心轮的旋转所产生的周期性的向心力及与工作表面的间歇性摩擦力的共同作用 ,实现机构的跳跃移动 ,两个不同放置位置的电机的组合运用 ,可实现机构可调速的直线运动和回转运动 ,通过一系列实验 。

面向显微操作的混合驱动式微小型机器人的开发与应用

提出了一种适用于显微操作的混合驱动式微小型机器人,它由平面行走模块和纵向微动模块两部分组成.其中,平面行走模块采用尺蠖蠕动式驱动原理,在堆叠式压电陶瓷的驱动下通过2块电磁铁的协调动作可以实现在铁磁性工作台上的前后移动、左右转弯及原地旋转运动;纵向微动模块采用线性音圈电机(LVCM)驱动,通过改进传统音圈电机的结构形式,克服了重力方向驱动时容易产生高频率的振动、重复精度差等非线性问题,实现无摩擦的竖直方向运动.分析了各模块的驱动原理、性能和负载特性,并通过显微操作自动对焦实验验证了所开发的混合驱动式微小型机器人的有效性和其应用的可行性.

液滴微操作机械手的机理分析与实验

液滴微操作机械手由1根毛细微管和环绕在其周围的6根钨丝微棒组成,注入到毛细微管内的液体,在机械手末端形成液滴.基于液滴的表面张力吸取微小物体,通过控制液桥的形态改变液桥力,可以实现对微小物体姿态变换和释放等操作.建立液滴微操作机械手工作过程的力学模型,详细讨论了液滴微操作机械手对微小物体进行拾取、姿态调整、释放的方法和物理过程,分析了微操作过程中各种微力的作用机理、作用方式、作用条件以及影响液滴微操作机械手性能的因素;并通过实验验证了分析方法的正确性.