场驱动医疗微机器人:材料制备工艺不断优化的应用前景

背景:微机器人具有体积小、灵活、靶向性强等特点,可以在狭窄的环境下通过单体或集群的方式完成复杂的工作。随着材料、制备工艺以及驱动方式的不断优化,其在生物医学领域内显示出越来越重要的应用价值。目的:分析场驱动微机器人在生物医学领域的应用并展望其应用前景。方法:以“微机器人,纳米机器人,驱动,生物医学,医疗”为中文关键词,以“microrobots,micro-robots,nanorobots,micromachine,microswimmer,medical”为英文关键词,分别检索万方以及Pub Med数据库,检索时间范围重点为2010年1月至2024年1月,同时纳入少数远期文献。通过阅读文题、摘要初步筛选,排除重复性研究、低质量期刊以及与内容不相关的文献,阅读全文后最终纳入66篇文献进行综述。结果与结论:场驱动医疗微机器人涵盖了磁、光、热、超声及多种混合因素驱动机器人。场驱动机器人已被应用于肠道诊断、药物靶向治疗及干细胞治疗等多个领域。尽管医用微机器人在临床医学中已有少数应用,但大多数还处于理论和实验阶段。医用微机器人的未来面临诸多挑战,如实现大规模制备、进一步提升精确控制、解决回收或体内降解问题,以及所用材料是否会对人体产生不良反应等,此外微机器人还需与相应的微创医学手术相配合。

Carrier fringe method of moire interferometry for tiny strain measurements in micro-field

In this paper, we demonstrate a new optical method for tiny strain measurements based on the principle of carrier fringes of moire interferometry. A cross-line grating with frequency of 1200 lp/mm is replicated on the specimen surface, and the strain can be deduced from the changes in carrier fringes before and after the deformation of an object. Four coherent laser beams are used to obtain the carrier fringe patterns of field U and V. Both theoretical analysis and numerical simulation indicate that the ideal accuracy of strain can be controlled within a range of ±1με. Case study of a plane extension experiment shows that the measurement accuracy of strain can be controlled within the range of ±10με. The average strain values of every row of field U and every column of field V can be obtained by using this method, and approximated strain of every pixel in the whole-field can be further acquired, and thus it is possible to measure tiny strains occurred in a micro-field. The technology in this paper can provide comprehensive information for analyzing related mechanical content in the field of MEMS.

复杂微型构件特种能场辅助微成形研究进展

随着复杂微型构件特征尺寸的不断减小,尺度范围不断扩大,材料种类日益增多,单纯依靠模具施加载荷的塑性微成形技术受到越来越多的挑战,成为制约微型构件实际应用的关键技术瓶颈。特种能场微成形技术利用超声场、电场和电磁场等能场与材料相互作用产生的特殊物理效应进行微加工,可以明显改善材料的塑性流动,降低微成形载荷,从而显著提高微型构件成形质量。本文综述了超声场、电场和电磁场等特种能场作用下塑性微成形的研究进展。首先探讨了特种能场作用下材料力学性能响应机制及微成形尺度极限,其次介绍了特种能场作用下微成形过程中材料微观组织结构演化与缺陷形成机理,最后总结了特种能场辅助微成形的关键工艺参数及其对成形质量的影响规律,强调了通过优化工艺参数实现高精度成形的重要性,为复杂微型构件的低成本、高效制造提供了新的技术路径。

基于片域理疗的济南夜市微更新改造策略——以环联夜市为例

夜市是城市重要的功能组成和具有象征意义的文化符号,基于片域理疗的济南夜市微更新改造研究有助于促进区域健康发展,对激发城市空间活力和延续城市文脉具有现实意义。文章以济南环联夜市为例,从片域诊断的角度,分析其交通情况、功能空间、配套设施、天气应对、文化特征等5个方面的现状,阐明了其同质化程度高、卫生安全隐患大、文化特色缺失等问题,并从空间微更新改造、场域文化融入和运营模式优化等方面提出了更新改造的策略;运用全面复合的微更新改造模式理疗济南夜市空间,以促进济南夜经济的发展,同时为夜市更新改造和城市的精细化治理提供参考。

微尺度下场致发射对电晕放电的影响机理

场致离子化微电晕器件基于一维纳米材料的电场增强效应,可产生大气压非平衡微等离子体,适用于气体检测以及生物医疗等领域,具有响应快、低功耗等特点。但微尺度下的电晕放电属于局部自持的低能放电,其场致发射的作用及影响机制尚不清晰。因此文章基于流体-化学混合模型框架,融合F-N发射模型,建立了常温常压N2-O2混合气体的二维微电晕放电模型。通过与无场致发射放电模型对比,探索不同间距下场致发射对放电动态过程的影响,发现针-板间距减至15μm时,两种模型放电过程差异很小,表明放电以二次电子发射机制为主导,当间距减至10μm时,两种模型的放电强度相差近1倍,场致发射的作用及影响不可忽略;通过进一步对电子密度分布、空间电场分布、电流密度等参量进行动态分析,发现场致发射、空间碰撞电离反应和离子轰击二次电子发射之间存在链锁影响规律。

微电场对人脐带间充质干细胞增殖和成骨分化的影响

背景:电刺激是一种可用于诱导细胞增殖、分化、凋亡等各种细胞活动的物理方法,诱导干细胞成骨分化将有利于骨的再生。目的:观察微电场是否可以促进人脐带间充质干细胞的增殖与成骨分化。方法:从人新鲜脐带组织获取脐带间充质干细胞,待细胞培养传代至第3代接种于6孔板内,24 h后分别给予0,50,100 mV/mm微电场刺激,刺激频率为每天1 h,连续刺激3 d,然后用显微镜观察细胞生长情况与形态变化,CCK-8和EdU染色法检测细胞的增殖情况,茜素红染色检测细胞的成骨分化能力,Western blot检测ERK通路蛋白的表达水平。结果与结论:①50,100 mV/mm组人脐带间充质干细胞的吸光度值和增殖细胞数目显著高于未刺激组(P<0.05);②微电场刺激前后人脐带间充质干细胞均能诱导分化为骨细胞,但50,100 mV/mm组的成骨分化速度比未刺激组快;③50,100 mV/mm组的p-ERK1/2蛋白表达高于未刺激组,且100 mV/mm组与未刺激组比较差异有显著性意义(P<0.05);④微电场促进人脐带间充质干细胞增殖的机制可能是通过促进ERK的磷酸化实现的。

磁场辅助场致射流微细放电加工研究

场致射流放电加工方法利用高压电场诱导形成的微细射流与工件间放电来蚀除材料。虽无电极损耗,但微细射流的柔性较大且易受外界干扰,导致放电分散性和随机性较强,因此难以对其进行精准控制。为此,设计了一种四极性磁场施加装置,通过磁场对离子束的约束作用控制射流,并分析了磁场的作用机理,研究了磁场约束对场致射流放电加工的蚀坑宽度、深度及表面粗糙度的影响规律。结果表明,随着磁感应强度的增大,放电蚀坑的最大深度和表面粗糙度值都减小;磁场散焦方向上蚀坑的宽度增加,而聚焦方向上蚀坑的宽度减小,同时放电时的极间距离也减小。经试验验证,所提出的磁场辅助场致射流放电加工方法适用于具有沟槽类型特征的部件加工。

变压器典型异常工况下磁场特征研究

针对微型磁场传感器在变压器故障检测中不同放置位置检测精度差异大的问题,该文以单相E磁芯变压器为例,基于COMSOL有限元仿真建立模型探究微型传感器在变压器中最佳放置位置。首先分析并阐明变压器磁场对称性分布规律;然后设置诸如匝间短路、负载变化和频率变化等多种典型异常工况,采用小波变换分析上述工况下变压器不同位置磁场强度、相位变化情况;最后基于信号突变规律、突变时间得到最佳放置位置并判断灵敏度级别,为微型磁场传感器在变压器故障检测中的应用提供依据。

聚脲弹性体在高端领域的研究进展

总结了聚脲弹性体的发展,详细介绍了聚脲弹性体在航空航天、军事、可穿戴设备及医疗等高端领域的国内外研究情况,指出了目前研究中的一些不足之处和未来的发展方向,旨在为聚脲弹性体后续的研究提供一定的帮助。

基于超声辅助的汽车微小零部件内部缺陷无损检测方法

为了更准确、全面地分析汽车微小零部件缺陷,基于超声辅助的方式,设计了内部缺陷无损检测方法。根据超声波传播反射情况及声场变化,采集微小零部件图像;通过融合边缘信息消除图像中噪声,分割图像主体并完成边缘识别,确定存在内部缺陷的区域;利用核主成分分析技术,通过降维处理方式确定缺陷区域特征,进而完成无损检测。结果表明:利用所提方法获取的零部件图像清晰,缺陷检测准确率始终高于95%,对气泡和气孔缺陷的检测时间小于6 s,对裂纹缺陷的检测时间小于8 s,说明所提方法对内部缺陷的定位准确度和识别效率均较高。

基于稻田与台站气温的江西早稻高温热害指标对比

利用江西省90个县(区)2012-2021年国家气象站和2017-2021年8个稻田小气候站数据资料,分析稻田与相应台站气温差异,并对比台站日最高气温≥35℃指标H1(NS)、稻田日最高气温≥35℃指标H1(RS)、台站日最高气温≥37℃指标H2(NS)、稻田日最高气温≥37℃指标H2(RS)的高温热害统计结果,提出适用于江西的早稻高温热害指标,提升高温监测预警和防御能力。结果表明:(1)稻田较台站有降温效应,日最高气温(T_(max))、日平均气温(T)和日最低气温(T_(min))总体偏低0.6℃、0.4℃和0.3℃,且降温幅度随早稻生长增大,抽穗-成熟期>移栽-孕穗期>播种-移栽期。(2)高温期间,晴天条件下稻田降温幅度最大,T、T_(max)和T_(min)较相应台站平均偏低0.8℃、1.0℃和0.7℃,阴天多云和雨天稻田降温幅度总体较为接近。(3)H1(NS)热害下,稻田与相应台站的逐日气温、逐小时气温均差异显著,且夜间稻田降温强度大于白天。稻田气温总体偏低1.2℃左右,金溪稻田偏低最多,T、T_(max)和T_(min)平均偏低1.5℃、1.1℃和2.6℃。(4)不同指标统计近10a高温热害县(区)数、平均持续时间、灾害县(区)平均减产率模拟值和全省减产率模拟值,均以H1(NS)最大、H2(RS)最小。H2(NS)与H1(RS)统计的平均持续时间、灾害县(区)平均减产率模拟值和全省减产率模拟值差异不显著,但均与H1(NS)、H2(RS)统计结果差异显著,且H2(NS)统计的全省减产率模拟值与实际更接近。台站T_(max)≥37℃更适合作为江西省早稻高温热害指标。

表面织构对微型轴向柱塞泵滑靴副摩擦学性能的影响研究

为减小微型轴向柱塞泵滑靴副的摩擦因数并提高油膜润滑性能,在滑靴底部设计椭圆微织构,建立滑靴副几何模型,并采取流场仿真对滑靴底部的油膜压力场以及剪切场进行求解分析,发现采取微织构能够减小滑靴底部的摩擦因数。为了进一步增强动压效应的作用,提升支承力并减小摩擦因数,通过Design-Expert响应面分析设计实验水平表进行计算分析,以泄漏量最小、支承力最大及摩擦因数最小为目标函数建立数学模型,最终得到微织构的优化尺寸。优化后滑靴副的油膜润滑性能得到提高,优化后的参数可作为柱塞泵结构优化的依据。

微型宽频交流电场传感器设计及其电场无失真测量评价

电场信息是新型电力系统状态智能感知、信息深度融合的基础。电场测量需兼顾无失真、微型宽频、强稳定性、易集成等众多性能需求。针对新型电力系统数字化发展需求,对地线侵入造成的电场测量误差来源进行分析,提出了微型宽频交流电场传感器设计方案和电场无失真测量方法,开展了无失真电场传感器设计,并与微机电系统(microelectro mechanical systems,MEMS)和光学电场传感器进行了无失真测量效果对比。结果表明MEMS电场传感器向上偏移间隙中心2 cm时电场测量误差为13.2%,光学电场传感器的电场测量误差在3%左右。无失真电场传感器的测量误差均在2%左右,且不随传感器的偏移距离而增大或减小,实现了地线干扰的隔离效果,且电场无失真程度优于光学电场传感器。

基于NSGA-Ⅱ的微槽刀具微槽位置参数优化

在GH4169高温镍基合金的切削加工中,较大的切削力和切削温度会加剧刀具磨损,降低刀具寿命。在刀具温度场合理置入微槽织构可以有效改善刀具切削性能和延长刀具寿命。对微槽刃边距、微槽长度、微槽与主切削刃所成角度进行参数优化,基于切削力经验公式建立切削力和刀具最高切削温度关于微槽位置参数的函数,借助NSGA-Ⅱ算法建立切削力和最高切削温度的多目标优化模型,经优化得到微槽刀具微槽的最佳位置参数组合为刃边距0.11mm,微槽长度1mm,角度46.1°。与原刀具相比,优化后的微槽刀具切削力和切削温度得到有效降低,具有更好的切削性能。

基于遗传算法的场堆叠硅基OLED微显示器伽玛校正研究

硅基有机发光二极管(OLED)微显示器的驱动方式主要分为数字驱动和模拟驱动。在数字驱动中,OLED器件的等效电容导致开启过程中产生亮度脉冲,特别是在场堆叠驱动方式中,固定小数子场的开关过程带来的亮度脉冲直接影响显示的亮度,导致灰阶曲线呈现出非线性递增,这为Gamma校正带来了挑战。为改善Gamma校正的过程及其结果,基于场堆叠数字驱动提出了一个新型亮度模型。该模型结合场顺序、场权值、Vcom电压值和Vcom电压配置,组成一个综合的参数空间。基于该模型,运用遗传算法对灰阶曲线进行了优化,并在分辨率为2560×2560×3的全彩硅基OLED微显示器上进行了实验验证。实验结果表明,通过优化参数空间,白色光灰阶曲线的均根方差和无效灰度点数从21.65 cd/m^(2)、15395个降至1.62 cd/m^(2)、2977个,得到显著改善。这一改进不仅使灰阶曲线更加线性和单调,还有效减少了无效灰度点,成功地实现了白色光Gamma 2.2曲线的精确校正。相比于模拟驱动,场堆叠数字驱动在低灰阶显示上展现出更佳的区分度,更符合人眼对显示效果的感知。

低压静电场对红虾微冻贮藏过程中品质的影响

为研究添加低压静电场对红虾微冻贮藏保鲜过程中品质的影响,以舟山海捕红虾为研究对象,通过测定0~25 d内-3℃普通微冻及电场微冻条件下虾肉的各项指标,包括持水力(water-holding capacity,WHC)、挥发性盐基氮(total volatile basic nitrogen,TVB-N)值、盐溶性蛋白(salt soluble protein,SSP)含量、硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)值、总巯基含量、菌落总数(total viable count,TVC)等,并通过十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)电泳探究红虾蛋白构象变化,比较分析有无低压静电场添加时舟山红虾品质的差异。结果表明,在25 d贮藏期内,-3℃普通微冻组样品的持水力大幅下降,TVB-N值和TBA值分别高达32.39 mg/100 g和1.03 mg/kg,TVC增加至7.98 lg(CFU/g),蛋白质变性程度高,已处于不可食用状态;相较之下,-3℃电场微冻组样品的持水力高达82.82%,TVB-N、TBA值和TVC均远低于对照组产品,肌原纤维蛋白受破坏程度低,虾肉仍能食用。综上说明,低压静电场与微冻技术叠加应用能够更长时间保持舟山海捕红虾的营养价值。

具有微型倾斜栅场板的高频AlGaN/GaN HEMT器件结构研究

较小的器件尺寸可以帮助GaN基HEMT实现更高的频率特性,但会使器件内部电场集聚,引起击穿电压降低,严重限制器件的高频功率特性。为了解决上述问题,采用微型倾斜栅场板,可以在保持频率特性的情况下提升器件的击穿电压。通过对具有不同关键参数(既倾斜角度)的AlGaN/GaN HEMT进行仿真分析,系统研究不同倾斜角度对器件特性的影响。研究发现击穿电压(V_(BK))随着倾斜角度的减小而增大;电流截止频率(f_(T))和最大振荡频率(f_(max))均随着倾斜角度的减小而降低。JFOM(JFOM=f_(T)·V_(BK))随着倾斜角度的减小先增大后降低,具有26.6°倾斜角度的器件的JFOM最大,达到了11.13THz V。通过大信号仿真,发现具有最优倾斜角度的器件工作在深AB类状态时,器件的最大增益、饱和输出功率密度、功率附加效率(PAE)分别为12.90dB、5.62W/mm、52.56%。

仿生鲨鱼皮复合微纳减风阻结构的仿真与制备

仿生学与减阻技术的结合,为减阻开辟了重要的研究方向,在航空航天领域有着潜在的发展与应用前景。为提高降低风阻效果,本文对复合微纳减风阻结构进行了研究,基于仿生学原理,采用CFD仿真及激光微纳制造技术,建立了减阻结构组合模型,并在飞行器的大气传感器半球头体模型表面制造仿生鲨鱼皮复合微纳结构,即在仿生鲨鱼皮鳞片结构的基础上,通过激光干涉扫描二级微沟槽,以进一步提升减阻效果。采用CFD仿真与风洞实验相结合的方式,对减阻机理进行理论分析,完成了复合结构的微纳制造,减阻率最高可达10.3%。

罗非鱼混养对广西三江传统稻渔综合种养系统环境及其菌群多样性的影响

研究罗非鱼混养对广西三江传统稻渔综合种养系统环境的影响,可为科学推广稻田金边鲤-罗非鱼混养模式提供基础。2021年5-10月设置3个试验组和1个对照组研究不同密度混养对种养系统环境及菌群多样性的影响,其中试验组内进行罗非鱼和金边鲤的混养,对照组为鲤单养组。结果表明,金边鲤的生长未受到罗非鱼混养的影响;高通量测序结果显示水体中的主要菌群为变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),其次为拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和蓝菌门(Cyanobacteria),主要功能为化能异养和有氧化能异养;底泥中的主要菌群为变形菌门和绿弯菌门(Chloroflexi),其次为酸杆菌门(Acidobacteria)、广古菌门(Euryarchaeota)和蓝菌门,主要功能类群为甲烷生成和化能异养。罗非鱼高密度混养组稻田底泥中的总氮和硝酸盐氮含量有所下降,水体中Polynucleobacter等水质良好的指示物种相对丰度增加,罗非鱼混养对稻渔综合种养系统环境及其菌群产生了有益的影响。

多相混输泵用超高压机械密封性能研究

针对超高压混输泵机械密封易磨损失效的问题,介绍了端面槽加工和涂层应用两种策略,用热流固耦合分析方法,分析了浅槽微接触式机械密封在实际应用中的温度分布和端面变形情况,阐述了表面涂层技术的应用,进行了一系列机械密封性能的试验研究。研究结果不仅证实了这些技术在提高机械密封寿命和可靠性方面的有效性,还证实了端面开槽和涂层技术在降低摩擦、改善耐磨性能方面的显著效果。为超高压混输泵机械密封系统的设计和优化提供了重要的理论依据及实践指导。