Research on Robotic Nanomanipulation System Based on Atomic Force Microscope

自从1986年G. Binnig等发明原子力显微镜（AFM）后，纳米科技研究得到了快速发展，纳米科技研究的最终目标之一是从纳米甚至分子与原子尺度上制造功能器件或系统，而实现此目标的使能技术是具有能在纳米尺度上进行精确可控操作与装配的方法、技术与装置。为此，学者们对基于AFM的纳米操作进行了大量研究，但由于对纳米尺度上物体的受力与运动方式等物理机理认识的不足、AFM探针精确定位技术的缺乏、以及操作过程中实时反馈信息的缺乏，使得操作者无法对纳米操作的中间过程及最终结果进行精确控制，纳米操作的成功率、效率及灵活性低下，从而严重阻碍了基于AFM的纳米操作的发展与应用。对此，本文在分析目前研究现状及存在问题的基础上，结合机器人学理论与技术，研制了基于AFM且具有实时力/触觉及视觉反馈的机器人化纳米操作系统，通过对纳米环境中物体的受力与运动方式进行分析与建模，从理论与实验上对AFM探针的驱动与精确定位、实时三维纳米力/触觉及实时纳米视觉信息的反馈与控制等关键问题进行了深入研究。 在AFM探针驱动与精确定位方面，本文在对压电陶瓷驱动器电压-位移的迟滞/非线性特性进行理论与实验分析的基础上，提出了基于复现扫描轨迹的驱动方法，并对驱动器运动学耦合误差、探针悬臂变形引起的针尖偏移误差进行了定量分析与补偿，从而获得了很高的探针定位精度。 在实时三维纳米力/触觉信息反馈与控制方面，本文在对探针-微粒-基片之间各种纳米力进行初步理论分析的基础上，将AFM探针作为三维纳米力传感器，通过对探针受力-悬臂变形进行建模，并根据实时检测的经光学杠杆放大后的悬臂变形信号获得了探针所受三维纳米力的大小，将此三维力经比例放大后送入力/触觉设备，操作者通过其操作手柄可实时感受到探针所受的力/触觉反馈信息，并据此反馈信息对施加在探针上作用力的大小及方向进行在线调节与控制。 在实时纳米视觉信息反馈与控制方面，本文利用增强现实技术，通过对微粒的动力学建模得出操作微粒所需施加在探针上的作用力大小，并结合实际施加在探针上的力信息来判断微粒能否运动；通过对微粒进行运动学建模得出其运动模式，再结合探针的实际位置信息得出微粒在探针操作下的实时位置与姿态（或刻画时刻痕的位置与尺寸），以此对视觉界面上显示的微粒位置与姿态及纳米环境进行局部更新，实现了微粒运动过程及纳米环境变化的实时视觉反馈，操作者借助此视觉反馈信息可对探针的作用位置及运动轨迹进行实时调节与控制。 在上述研究基础上，研制成功了基于AFM且具有实时力/触觉及视觉反馈的高精度机器人化纳米操作系统。利用该系统，操作者不仅可以实时感受到探针与微粒或基片之间的相互作用力，还可以实时观察到微粒的运动过程及纳米环境的变化，并据此在线控制探针的作用位置与运动轨迹、以及施加在探针上作用力的大小与方向，从而实现了对纳米操作过程及最终操作结果的精确控制，大大提高了纳米操作的成功率、效率及灵活性。纳米刻画和多壁碳纳米管的操作实验验证了该机器人化纳米操作系统的有效性。 另外，本文针对目前纳电子器件装配制造方面的一个关键技术难题，探索结合了介电电泳与本机器人化纳米操作方式（粗、精两级操作方式），实现了单根碳纳米管与微电极的精确定位装配与电连接，为装配制造基于单纳米管/线的纳米器件提供了一种新颖可行的方法与技术。 本文的研究工作为基于AFM的机器人化纳米操作提供了可以借鉴的理论与实验经验，有助于推动基于AFM的纳米操作与制造技术的发展

A Pilot Study on Nano Forces in AFM-Based Robotic Nanomanipulation

针对基于原子力显微镜(AFM)的机器人化纳米操作,对探针作用下探针&mdash;基片&mdash;微粒之间纳观力的作用规律进行了初步分析.指出起主要作用的纳观力为范德华力、接触斥力、纳米摩擦力、毛细作用力以及纳米静电力等五种,并初步推导了各种纳观力的表达形式.通过力&mdash;距离曲线仿真与实验验证了所进行分析的合理性;该分析有助于进行纳米操作的精确控制.</p

Kinematics Modeling and Error Analysis of AFM Tube Scanner

针对样本扫描模式原子力显微镜,对其管式扫描器-样本-探针系统进行了运动学分析,建立了该系统的运动学模型,该模型表明:对于给定原子力显微镜扫描器,样本上与探针接触点的横向和纵向位移取决于探针尖端相对于扫描管轴心的偏置量、所加电压(或名义扫描范围)及样本厚度。据此模型,对由于弯曲运动模式所产生的两种重要误差&mdash;交叉耦合误差及扫描范围误差进行了定量分析,分析表明:扫描范围误差主要受样本厚度及名义扫描范围影响,而Z向交叉耦合误差主要受探针偏置量及名义扫描范围影响,实验验证了所建立的运动学模型和误差计算公式的正确性;另外,还提出了相应的减小误差的方法。</p

Visual Feedback Tracking System Design of Optical Micro Swimming Robot

微型游动机器人的研究是机器人微型化电子领域发展的一个重要分支.借助光致形变弹性体材料在光诱导下,分子内部发生光异构产生形变原理,设计制造一种仿鞭毛细菌游动机器人.通过采取对可见光和紫外光光源照射方式的改变,为其全光供能与控制,并采用改进型背景周期差分视觉反馈技术对游动机器人跟踪定位.这种全新的外场驱动的新型管道微型机器人设计,可控性强,可将负载物运输到指定地点,是微型机器人驱动与组装制造、微管道运输的全新设计

Review of AFM Based Robotic Nanomanipulation

对基于扫描隧道显微镜(Scanning tunnel microscope,STM)及原子力显微镜(Atomicforcemicroscope,AFM)的纳米操作技术发展进行阐述,针对其中存在的主要问题,引述出机器人化纳米操作的必要性。接着,对国内外机器人化纳米操作系统的研究进展、现状及存在的主要问题进行详细分析,提出基于AFM的机器人化纳米操作系统的结构原型,并指出实现机器人化纳米操作所需解决的关键技术问题及相应的解决方案之一,为进行深入的机器人化纳米操作研究提供了可以借鉴的研究方向。</p

A Study on the Driving and Monitoring System of Light Source for the Operation of a Light-driven Micro-gripper

针对当前新兴的工艺简单的微小光致夹持器缺乏可控光源驱动与监控系统的现状，本文研制了一种基于PC机控制的光源驱动与监控系统。该系统借助显微成像CCD（charge-coupled device）观测手段，通过VC++平台控制STM32微控芯片下位机，输出可控的PWM（pulse width modulation）信号来控制光路驱动电路，从而改变光源光照时间及光照强度，来最终实现对夹持器夹持操作的驱动与控制。本系统克服了传统微小夹持器主流采用电或磁作为驱动能量源，而需要较复杂的机械传动机构将运动传递到执行器末端，从而带来的夹持器设计与制造复杂性等缺点。光源测试实验、夹持器开合实验及夹持器夹取鱼卵实验验证了该系统的有效性

Study on modeling and real-time display of AFM based robotic nano-imprint

利用AFM探针刻画方式可进行MEMS掩膜图案等的制备与修复研究,本文针对软朔性材料,建立了AFM探针刻画时的刻痕尺寸模型,依据该模型及探针的实际受力与位置信息,可得到刻痕的实时位置与尺寸,并借助虚拟现实技术将刻画过程实时显示在视觉界面上。在上述研究基础上,操作者可在线控制纳米刻画的过程及结果,对聚酯基片的纳米刻画实验初步验证了上述模型的有效性。</p

Rinsing method-based single-walled carbon nanotube pretreatment method

本发明涉及纳米操作领域,具体地说是一种基于漂洗方法的单壁碳纳米管预处理方法。将阴离子表面活性剂溶液与单壁碳纳米管混合,使阴离子表面活性剂的亲油基吸附在单壁碳纳米管侧壁,而后将经阴离子表面活性剂处理后的单壁碳纳米管经超声振荡和脉冲后,使其定向排列实现单壁碳纳米管有效分散,即完成预处理。本发明提出的方法,对碳纳米管所具有的物理、化学性质不会产生任何破坏,可操作性与可重复性强,为单壁碳纳米管预处理提供了新的可行技术途径

PSD signal processing circuit design in AFM detection module

为提高AFM 对基底的扫描速度和成像分辨率，选用了一种新型的位置敏感器件，设计了一套基于高速差分放大器的PSD 信号采集模块，该模块具有体积小、结构合理、受地面噪声干扰小等优点。为便于分析，实验中，用数字源表提供单路电流，将PSD 信号采集模块的差分输出与单端输出结果进行比较，同时对实验数据做频谱分析与线性度分析，实验证明：基于高速差分放大器的差分输出电路满足AFM 对PSD 模块在带宽、噪声、线性度等设计方面的要求