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。

大型工程项目品质工程建设场景中的微创新研究

品质工程建设是工程经济高质量发展的重要内容。作为品质工程建设的抓手,微创新在大型工程项目建设场景中受到越来越多的关注。大广高速南康至龙南段扩容工程采用微创新在品质工程建设方面取得显著成效,以其为案例,通过访谈与调研获得一手数据,在场景驱动创新理论视角下探索大型工程项目品质工程建设场景中的微创新要素、内容和策略。结果发现:①大型工程项目品质工程建设场景要素包括战略、需求愿景、参与主体、市场、技术、资源和环境;②在场景驱动下,围绕品质目标的微创新活动内容包括设计理念微创新、工程技术、方法与信息化微创新以及管理制度微创新;③促进微创新的关键策略为沿着微创新活动作好顶层设计、班组管理与工程品质考核验收。研究结论有助于丰富大型工程项目品质工程建设场景驱动微创新理论研究,并为我国大型工程项目品质提升提供参考借鉴。

固体力学跨尺度计算若干问题研究

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。

压电微动台数据驱动迭代前馈补偿与自适应抑振

为消除压电驱动柔性微定位平台高精控制对平台不确定动力学模型的依赖性,提出了一种数据驱动无模型迭代前馈补偿和自适应陷波滤波结合的控制方法来提高平台的跟踪性能。首先,建立了数据驱动无模型迭代前馈控制器,提高系统对噪声和其他干扰的鲁棒性,同时,证明了在无模型迭代前馈作用下,连续参考输入跟踪误差的有界性和闭环系统的稳定性;其次,构建了自适应陷波滤波器来消除平台谐振的影响,对误差信号进行快速傅里叶变换,并设计谐振频率在线提取算法,实现对陷波滤波器参数的在线实时整定,来进一步提升轨迹跟踪精度;最后,利用所设计的无模型迭代前馈控制器和自适应陷波滤波器对压电微动台进行轨迹跟踪实验。实验结果表明:在跟踪三角波信号时,与单独比例-积分(Proportional Integral,PI)控制和结合自适应陷波滤波器的PI控制相比较,最大跟踪误差分别减小78.25%和70.83%,能够有效提升平台的稳定性和跟踪精度。

基于校企合作“众创空间”体系构建的微项目驱动电子信息类实践教学改革研究

针对传统地方应用型本科院校中电子信息类专业实践教学存在的问题,结合国家倡导的“大众创业、万众创新”思想理念,提出一种基于校企合作“众创空间”体系构建的微项目驱动电子信息类实践教学改革创新模式。以搭建校企合作“众创空间”为实践教学平台,解决微小项目为任务驱动,构建以学生、学校和企业“三位一体”的面向企业应用的新型实践教学改革方法。该方法以企业实际项目为开发对象,培养和提高学生分析和解决实际问题的能力,为我校及省内外同类院校的其它工科专业提供经验和借鉴。

基于电场驱动喷射微3D打印的曲面透明电加热玻璃技术

为了解决高性能曲面透明电加热玻璃制造工艺复杂和制备成本高的问题,提出了一种基于电场驱动喷射微3D打印制造曲面透明电加热玻璃的新方法,并阐述了该工艺流程;通过实验揭示了主要打印参数对制造曲面透明电加热玻璃银线线宽的影响规律;使用优化的打印参数在曲面透明玻璃上制备了有效加热面积为35 mm×40 mm,线宽为90μm,周期为3000μm,附着力为4B,透光率为90%,电阻为1.6Ω,银线为金属网栅结构的曲面透明电加热玻璃。实验结果表明,该打印方法工艺简单,利用该方法制造的曲面透明电加热玻璃具有附着力好、透光率高和加热性能良好等优点,为实现低成本、高性能的曲面透明电加热玻璃的工业化制造提供了一种全新的解决方案。

微纳米机器人在血栓治疗领域的研究进展

综述了近年来国内外关于微纳米机器人在血栓治疗领域的研究进展。首先介绍了微纳米机器人在血栓治疗中的驱动方式,从磁驱动、光驱动、化学驱动、生物驱动四个方面概述了微纳米机器人在递送时的优异性能,并分析了每种方式存在的局限性。重点探讨了微纳米机器人在血栓治疗中的应用研究,归纳了微纳米机器人近年来在药物载体、机械力破坏血栓、流体动力促进药物扩散、非药物治疗方式领域里的研究进展,探究了其治疗机理和应用前景。最后对微纳米机器人在血栓治疗领域的优势进行总结,并分析了目前存在的局限性,并以此展望了未来的研究方向,微纳米机器人技术的发展为血栓治疗提供了新的思路,有望成为一种更高效、安全的治疗方式。

基于微小型移动机器人的微操作系统

提出一种新颖的基于宏／微双重驱动微小型移动机器人的微操作系统。机器人在宏运动状态下为典型的轮式机器人,在微运动状态下为尺蠖运动机器人。将集成微夹持器的微操作器安装在机器人移动定位平台上用于实现微操作任务。为了自动导航机器人完成微操作任务,设计外部智能视觉系统。视觉系统分为全局视觉与显微视觉两个子部分,机器人在全局视觉的导航控制下以宏运动状态实现大范围的粗定位,并使机器人微夹持器末端准确地进入显微镜视场。在显微视觉的导航控制下以微运动状态实现小范围、高精度的精定位,并完成微操作任务。试验表明,提出的基于微小型移动机器人的微操作系统能够成功地实现微小零件的夹取与装配。

基于实时误差补偿的机器人系统研究

介绍了基于偏摆误差实时补偿的高速高精度机器人系统的组成及工作原理,讨论了机器人的偏摆误差检测原理,设计了电容式偏摆误差检测传感器和基于双层平行板弹性铰链结构、PZT直接驱动的微驱动补偿工作台。实验结果表明,采用微动工作台实时补偿宏动工作台直线运动的偏摆误差,可使机器人的运动性能得到较大提高。

宏微3-RPR并联机构建模及控制仿真研究

为解决并联机构大行程与高精度定位的矛盾,提出了一种采用电液伺服控制系统为宏驱动、压电精密控制系统为微驱动的宏微3-RPR并联机构,基于虚功原理推导了其动力学模型;搭建了其基于多软件协同仿真模型,其中包括Adams机械模块、AMESim液压与压电驱动模块、Matlab/Simulink控制模块;针对该并联机构是个复杂的多输入多输出非线性系统,采用模糊PID方法对其进行控制仿真研究。仿真表明:与常规PID相比,采用模糊PID能缩短响应时间,实现无超调的宏微切换过程;采用宏微驱动的并联机构能实现大行程的精密定位,具有良好的控制效果。

压电驱动微泵泵膜振动有限元分析

以压电驱动微泵泵膜为研究对象,分析了压电复合泵膜膜片的弹性曲面微分方程,建立了泵膜膜片有限元数值模拟的模型,对泵模膜态进行了计算和分析,模拟并分析了驱动电压、泵膜压电层半径与泵膜单晶硅层半径之比、单晶硅层厚度、压电层厚度对泵膜位移的影响。所作研究为压电驱动微泵的优化设计提供了理论依据。

激光驱动飞片加载金属箔板成形及数值模拟

探讨了一种利用激光驱动飞片微塑性成形的新技术,介绍了激光驱动飞片代替激光冲击加载的原理和特点,设计并完成激光驱动飞片加载铝箔成形的实验,在体视显微镜下观察发现成形铝箔的表面质量优异,利用形貌仪测量发现成形深度与激光光斑能量分布一致,通过实验得到了激光能量与成形深度的关系。采用适合高压高应变率的Johnson-Cook模型,利用LS-DYNA软件模拟了激光驱动飞片加载铝箔微成形,模拟结果能够比较好地解释试验现象,证实了数值模型的合理。

激光驱动飞片加载金属箔板成形机理研究

分析了激光驱动飞片加载金属箔板成形的机理，结合激光驱动飞片模型和高速碰撞动力学理论，得到激光驱动飞片加载金属箔板成形时工件的应变率高达10^6～10^7S^-1，并给出了飞片加载的速度范围。从冲击温升、相变、位错密度等方面阐述了高压高应变率下成形的特点，从理论上说明了激光驱动飞片加载技术能够提高金属箔板的成形能力，设计并完成了实验，实现了10μm厚铝箔的激光驱动飞片加载成形。

基于实时误差补偿的精密定位系统的研究

介绍了基于实时误差补偿的精密定位系统的组成,分析了系统的偏摆振动模型,讨论了偏摆误差检测原理。利用有限元软件ANSYS,设计了采用双层平行板弹性铰链结构、基于PZT直接驱动的微驱动补偿工作台。实验结果证明,采用实时误差补偿技术,定位系统的运动性能得到较大提高。

基于MATLAB的微电驱串联机械手工作空间域解算与仿真

文章介绍一种可用于小型管道和容器焊接以及内壁焊接质量检测的新型机械手——微电驱串联机械手,探索了一种实用的串联机械手工作空间域的仿真方法。通过机械手结构分析,建立机械手连杆坐标系,确定连杆参数,得到连杆变换的D-H(Denavit-Hartenberg)矩阵,建立机械手的数学模型,然后应用MATLAB求解机械手运动学正解,仿真得到机械手工作空间域。通过仿真验证了机械手结构设计的合理性。

盾构隧道微扰动施工控制技术体系及其应用

为控制盾构隧道施工对周边建(构)筑物(群)的扰动影响,确保施工沿线的建(构)筑物(群)处于良好的服务状态,建立了盾构隧道的微扰动施工控制技术体系,该技术体系由施工前的查勘预测与抉择、施工过程中的监控量测与反馈控制和施工结束后的长期预测与控制三部分构成。施工前的查勘预测与抉择是基础,包括周边环境与场地的查勘、微扰动指标的制定、辅助保护措施的抉择及施工前的扰动预测等内容;施工过程中的监控量测与反馈控制是核心,由监控量测和动态反馈控制构成;施工结束后的长期预测与控制是延伸,是验证施工扰动程度和控制施工工后沉降的关键,在流变现象严重的地区尤为重要。微扰动施工控制技术体系在上海轨道交通11号线下穿越重要历史建筑物工程和10号线下穿越机场跑道工程中的成功应用,表明了该技术体系的正确性和重要性,为今后盾构隧道下穿越工程的施工控制提供了借鉴和参考。

微型摆动式发动机内间歇着火和火焰传播试验研究

为了试验研究微摆发动机燃烧室内的间歇着火和火焰传播特性,设计了一套电机驱动倒拖运行的两冲程微型摆动式发动机单缸燃烧可视化试验系统,倒拖运动摆臂模拟了真实发动机自由摆臂的运动特性,并建立了对应摆臂位置的电火花正时点火系统。在微摆发动机单缸内实现了正丁烷/空气的稳定间歇着火,用高速相机拍摄火焰传播图像,并用Matlab程序分析图像中火焰面积变化特征。考察了摆臂频率f和预混气流量Q对着火和火焰传播的影响。研究结果表明:随预混气流量的增加,火焰传播越快;单次扫气量Q/f不变,随摆臂频率的增加,火焰传播变快。

电渗驱动微通道流中的扩散

利用差分方法对电渗驱动微通道中的脉冲样品的浓度扩散进行了数值模拟,结果说明外加电场和缓冲液浓度对样品的扩散起着重要的作用,而水力直径及其通道的高宽比对扩散的影响甚微.采用减小外加电场和减小缓冲液浓度的办法,可以防止样品带宽的增大、增强检测和分离的效果,同时又保持比较快的输送速度.该结论对于微通道的优化设计具有参考价值.

焦家金矿床容矿裂隙特征及成生机制

着重研究构造作用下成矿裂隙特征和流体的运移通道、方式及成因机制 ,结果认为焦家金矿床差异的矿体矿化特征主要由不同裂隙导致形成 ,微构造裂隙之间没有截然分开的界线 ,常呈渐变接触关系。矿化裂隙成生主要有流体驱动显微构造裂隙扩展和构造剪张形成脉状裂隙两种方式。流体运移以真空泵式为主 ,渗流方式为辅 ,不同的裂隙成生机制和流体运移方式导致形成差异的矿化特征。

CDIO理念下的应用型本科“测量学”实践教学模式改革

基于应用型本科人才培养目标的定位,针对目前测量学实验实践教学中存在的问题,创新性地确定了以"微课教学"为手段,以"工学结合"为目标的"任务驱动教学法"。项目实施时,进行了基于CDIO理念的测量学实践教学模式改革。教学实践表明,此项教改取得了良好的教学效果,极大激发了学生的学习兴趣,学生在知识、能力和素质上都得到了提高。