旋转微马达

技术领域

本发明涉及一种旋转微马达，所述旋转微马达允许微结构或微装置移动通过粘性材料，特别是通过受试者的器官，例如大脑。

背景技术

在微创手术中(尤其是在神经外科手术中)，无损伤地到达深层和功能性结构的能力是主要挑战。由于微技术的发展，可以将微结构或微装置送到受试者的器官(例如大脑)内部。然而，在低雷诺数的环境中(如大脑)，由于缺乏惯性，并且存在由微结构的小尺寸引起的相对高的阻力，因此推进微结构是一种挑战。

微结构或微装置移动通过粘性物质(例如大脑)的最有效的方式是在向前移动的同时旋转。因此，所述微结构需要旋转微马达(或微发动机)以允许这种最有效的移动方式。

如今，旋转微发动机通常使用以圆形方式定位的三个线圈。这三个线圈占用了太多空间，并且因此限制了达到微工程中所需亚毫米直径的可能性。

已知申请CN108964514公开了一种由压电和形状记忆合金驱动的旋转微马达及其驱动方法。旋转微马达包括从上到下依次堆叠的上盖、壳体、弹性座、基座、轴承端盖、转子、压缩弹簧、支撑框架、旋转轴、深沟球轴承、适配器、压电叠层、调节螺钉、形状记忆合金丝、摩擦块、橡胶摩擦垫、单向滚动轴承、弹性止动环、位移放大杆和旋转体。轴承端盖安装在上盖的上表面和基座的下表面的中心位置。驱动方法通过三角波信号改变压电叠层的变形，从而通过位移放大杆旋转旋转体，进而旋转支撑框架。此外，形状记忆合金丝的变形由半三角波信号改变，并且摩擦块被弹簧推动以与转子接触，从而实现转子的旋转操作。这一发明不允许移动通过粘性材料。

在此背景下，本发明旨在提出一种旋转微发动机，其允许微结构在低雷诺数的流体环境中以高效的方式向前移动。

发明内容

因此，本发明涉及一种微发动机，其配置为移动微结构，该微发动机包括旋转结构，所述旋转结构包括头部、后部和连接头部和后部的可变形部，

-其中，可变形部沿着从头部延伸到后部的主轴线可伸长变形或可压缩变形

-其中，可变形部包括至少一个弹簧元件，所述至少一个弹簧元件具有附接到后部的后端，所述至少一个弹簧元件呈现自由端，

-其中，所述至少一个弹簧元件的自由端包括至少一个邻接构件，

-其中，旋转结构还包括致动器，致动器沿着主轴线与可变形部对齐，并且被配置为依次致动可变形部的伸长阶段和压缩阶段，

-其中，可变形部还包括轮平台，轮平台呈现第一面和第二面，第二面被配置为与所述至少一个弹簧元件的自由端配合，以将所述至少一个弹簧元件的往复运动转换为轮平台的旋转运动。

因此，本发明允许创造一种微小的旋转微发动机，其能够是毫米甚至亚毫米的，将弹簧的大部分线性移动转换为旋转。

根据本发明的装置还可以包括单独或彼此结合使用的以下特征中的一个或几个：

-可变形部可以包括第一弹簧元件和第二弹簧元件，第一弹簧元件具有附接到头部的前端，第二弹簧元件具有附接到后部的后端，每个弹簧元件呈现自由端，

-每个弹簧元件的自由端可以包括至少一个邻接构件，

-轮平台的第一面可以被配置为与第一弹簧元件的自由端配合，轮平台的第二面可以被配置为与第二弹簧元件的自由端配合，以将两个弹簧元件的往复运动转换为轮平台的旋转运动，

-第一弹簧元件和第二弹簧元件可以沿着主轴线对齐，

-致动器可以是包括电磁线圈和沿着主轴线延伸的永磁体的电磁致动器，

-永磁体可以在每个弹簧元件伸长和压缩时往复平移，

-第一弹簧元件可以与第二弹簧元件工作在相反阶段，

-每个弹簧元件可以包括围绕主轴线相对于彼此螺旋设置的至少三个弹簧腿，

-每个弹簧元件可以包括被配置为接合至少三个弹簧腿的弹簧环，所述弹簧环呈现至少三个旨在与轮平台配合的邻接构件，

-每个邻接构件可以是弹性条，

-每个邻接构件可以是尖齿，

-轮平台可以是切口轮(notched wheel)，第一面和第二面中的每一个呈现至少三个切口，每个切口被配置为与相应的弹簧元件的邻接构件配合，

-每个弹簧元件伸长可导致轮平台的旋转，旋转角度取决于轮平台的面的切口的数量，

-轮平台的两个切口之间的距离可以小于一个邻接构件在弹簧元件伸长阶段期间的行程，

-轮平台的每个切口可以呈现基本上垂直于轮平台的半径的第一表面，所述第一表面配置为通过邻接与第一弹簧元件和第二弹簧元件的邻接构件配合，第二切口沿着轮平台圆周跟随第一切口，所述第二表面配置为通过滑动与所述第一弹簧元件和第二弹簧元件的邻接构件配合，

-每个切口的每个第二表面可以朝向轮平台的中心倾斜。

附图说明

本发明的特征和优点将从以下对根据本发明的微机器人的几个实施例的描述中变得明显，该描述仅通过示例并参考附图给出，在附图中：

-图1是根据本发明的第一实施例的微发动机的示意性轴向剖视图，

-图2是根据本发明的第二实施例的微发动机的示意性轴向剖视图，该微发动机包括附接到根据本发明的装置的推进器，以说明能够耦合到根据本发明的微发动机的元件的实施例。

-图3是根据本发明的实施例的弹簧元件的立体图，

-图4是图3所示弹簧元件的侧视图，

-图5是根据本发明的实施例的弹簧元件的立体图，

-图6a是根据本发明的第三实施例的弹簧元件的侧视图，

-图6b是图6a的弹簧元件邻接的详细视图，

-图7a是根据本发明的第二实施例的轮平台的立体图，

-图7b是图7a的轮平台附接到磁体的侧视图，

-图8是根据本发明的第二实施例的旋转结构的立体图，

-图9a和图9b是分别在根据本发明的弹簧元件的压缩阶段和伸长阶段期间弹簧腿相对于轮平台移动的示意图。

具体实施方式

本说明书的第一部分中，将描述根据本发明的微发动机10的不同元件。在第二部分中，将说明所述微发动机10的功能。

根据本发明的微发动机10旨在使微结构或任何类型的微工程装置沿着主轴线X(见图1)移动通过粘性材料(例如受试者的脑脊液或脑细胞外基质)。粘性流体被明确定义为呈现出低雷诺数的流体材料。

在本申请中，微发动机或微马达被认为是通常以微米为单位测量的非常小的部件的组件，这些部件能够自行移动。根据该定义，当连接到微装置时，微马达能够在置于水或化学溶液(更通常是粘性流体材料)中时沿给定方向自主地推动所述微装置。微发动机可以采用任何类型的形状和结构，并且许多不同类型的微发动机在不同的机制下运行。微发动机最重要的例子是生物发动机，例如移动自推进细胞的鞭毛的生物发动机。

关于当前应用，微发动机10包括沿着主轴线X延伸的旋转结构12。旋转结构12包括头部12A、后部12B和可变形部14。可变形部14连接头部12A和后部12B。因此，头部12A和后部12B沿着主轴线X被连接。在图2和图8所示的实施例中，每个部分12A、12B是呈现中心圆形开口15(见图8)和外部附接条的凸缘平台。

在图1中，头部12A是旨在使可变形部14与主轴线X保持对齐，同时允许旋转结构12旋转并限制摩擦的轴承，例如滚珠轴承。后部12B是呈现外部附接条的凸缘平台。

在图1和图2中，可以看到每个附接条都附接到包围旋转结构12的刚性壳体H。该壳体H支撑旋转结构12，并且在图2的实施例中，该壳体H能够使其沿着主轴线X正确对齐。关于图2中的实施例，所述壳体H沿着主轴线X延伸并围绕所述主轴线X旋转。在一些实施例中，该壳体H还允许旋转结构12免受任何流体侵入。以这种方式，当微结构被微发动机10向前推动时，微发动机10的旋转结构12的旋转运动不会干扰粘性环境的线性移动(沿着主轴线X)。

在第一实施例中，如图1所示，可变形部14包括一个弹簧元件16。

在第二实施例中，如图2和8所示，可变形部14包括两个弹簧元件16A和16B。

关于图1所示的实施例，可变形部14包括一个沿着主轴线X延伸的弹簧元件16。因此，可变形部14沿着主轴线X可伸长变形或压缩变形。弹簧元件16固定至壳体H，以将其保持在适当位置。

如图2和8的实施例所示，可变形部14包括第一弹簧元件16A和第二弹簧元件16B，每个弹簧元件都沿着主轴线X延伸。更准确地说，由于壳体H，第一弹簧元件和第二弹簧元件16A、16B沿着主轴线X彼此对齐。因此，可变形部14沿着主轴线X可伸长变形或压缩变形。两个弹簧元件16A、16B被固定到壳体H，壳体H确保所述两个弹簧元件16A、16B在距离彼此适当的距离处被固定。

关于图1，弹簧元件16具有附接到旋转结构12的后部12B的后端18B。关于图2的实施例，第一弹簧元件16A具有附接到旋转结构12的头部12A的前端18A。第二弹簧元件16B具有附接到旋转结构12的后部12B的后端18B。每个弹簧元件16A、16B包括至少三个弹簧腿20。图5所示的弹簧元件16、16A、16B(16和16B由于与16A相同而未示出)精确地呈现了围绕主轴线X相对于彼此螺旋地设置的三个弹簧腿20。

关于图1和图3的实施例，弹簧元件16具有围绕主轴线X相对于彼此螺旋地设置的四个弹簧腿20。如图3所示，在弹簧元件16的前端18A上，弹簧腿20围绕后部12B的中心圆形开口15规则地设置。关于图3和图4所示的实施例，弹簧元件16A、16B具有围绕主轴线X相对于彼此螺旋地设置的四个弹簧腿20。如图3和图8所示，在第一弹簧元件16A的前端18A上，弹簧腿20围绕头部12A的中心圆形开口15规则地设置。在第二弹簧元件16B的后端18B上，弹簧腿20围绕后部12B的中心圆形开口15规则地设置。优选地，每个弹簧16、16A、16B的每个腿20呈现矩形截面，其宽度为60μm至300μm，更优选地为120μm至160μm，并且其高度为5μm至80μm、更优选地为20μm至40μm。在替代实施例中，腿20呈现倾斜部分，所述倾斜部分朝向可变形部14的内侧倾斜。

优选地，腿20的总长度呈现为300μm至600μm，更优选地为450μm至500μm。在一些实施例中，腿20由包含UV可固化的混合无机-有机聚合物的材料制成，例如

每个弹簧元件16、16A、16B还呈现自由端22、22A、22B(见图1和图8)。因此，弹簧元件16(关于图1)或第二弹簧元件16B(关于图2)的每个弹簧腿20从后部12B朝向头部12A延伸，并且，关于图2的实施例，第一弹簧元件16A的每个弹簧腿20从头部12A朝向后部12B延伸。因此，如图2和图8所示，第一弹簧元件16A的自由端22A面向第二弹簧元件16B的自由端22B。

每个弹簧元件16、16A、16B的自由端22、22A、22B包括至少一个邻接构件23。在图3、图4、图6a和图8所示的实施例中，弹簧元件16、16A、16B的每个弹簧腿20在其末端处呈现邻接构件23。在图3、4和8的实施例中，每个弹簧腿20以直线边缘结束，并且这些边缘中的每个形成邻接构件23。在图6a和图6b所示的实施例中，每个弹簧元件16、16A、16B的每个弹簧腿20在其自由端处包括凸耳元件L。在该实施例中，每个凸耳元件L形成邻接构件23。这种凸耳元件L的优点是允许更容易地与轮平台26的互补切口28接触。因此，所获得的邻接接触得到改善。

如图3和图4所示，弹簧元件16、16A、16B(元件16和16B未示出，但与所示的元件16A相似)可包括连接其弹簧腿20的弹簧环24。弹簧环24连接弹簧元件16、16A、16B的弹簧腿20。该弹簧环24增强弹簧元件16、16A、16B的径向阻力，并避免弹簧腿20彼此分离。该弹簧环24还允许较好地同步所有弹簧腿20的移动。在一些实施例中，例如图5所示，弹簧环24邻接抵靠弹簧元件16、16A、16B的自由端22、22A、22B。在这种情况下，每个弹簧腿20在其末端连接到弹簧环24，并且弹簧环24成为弹簧元件16、16A、16B的自由端22、22A、22B的一部分。在这种实施例中，弹簧环24呈现至少三个邻接构件23。图2、3、4和6a所示的实施例中，弹簧环24呈现四个邻接构件23。在图5所示的实施例中，弹簧环24呈现八个邻接构件23。在一些实施例中，从弹簧环24延伸的每个邻接构件23是弹性条。如果弹性条的数量与弹簧腿20的数量相同，并且以与弹簧腿20连续的方式附接到弹簧环24，则该实施例看起来与图3和图4所示的实施例类似。

另一方面，图5示出了其中每个邻接构件23是尖齿T的实施例。

在图2和图8所示的实施例中，弹簧元件16A、16B在形状和结构上基本相同，并且弹簧元件16A、16B的每一个都呈现四个弹簧腿20。

如图1、2和8所示，可变形部14还包括轮平台26，该轮平台26呈现中心圆形凹部25(见图7a)、第一面26A和第二面26B。当旋转结构12被安装并起作用时，轮平台的中心圆形凹部25与头部12A和后部12B的中心圆形开口15对齐。

关于图1，一旦旋转结构12被安装并起作用，轮平台的第一面26A由头部12A的轴承保持，并且轮平台26的第二面26B与弹簧元件16的自由端22配合。关于图2，第一弹簧元件16A的自由端22A与轮平台26的第一面26A配合并且轮平台26的第二面26B与第二弹簧元件16B的自由端22B配合。

如图7a所示，轮平台26是切口轮，第一面和第二面26A、26B中的每一个都呈现至少三个切口28。在图1所示的实施例中，轮平台26呈现出不对称的形状：第一面26A是平面并且第二面26B呈现至少三个切口28。在图7a和7b所示的示例中，切口轮在每个面26A、26B上具有多于三个切口28，切口切口数量越多，从一个切口到另一个切口的台阶越短，反之亦然。每个面26A、26B包括相同数量的切口28，并且第一面26A的每个切口28与第二面26B的切口28对应，使得轮平台26根据基本垂直于主轴线X的横向平面P横向对称。优选地，轮平台26的半径R为100μm至1500μm，更优选地为500μm至1300μm。此外，轮平台26的每个切口28呈现第一表面和第二表面30、32(见图7b)。如图7a所示，第一表面30基本上垂直于轮平台半径R且垂直于轮平台26的横向平面P，所述第一表面30也沿着主轴线X延伸。平面P包括凹部25的表面，该平面被定义为垂直于轮平台26的轴线的平面。第二表面32在第一切口28的第一表面30和第二切口28的第一表面30之间延伸，第二切口28沿着轮平台26圆周跟随第一切口28。此外，每个切口28的每个第二表面32朝向轮平台26的中心倾斜。相对于凹部25的表面，该倾斜度为1°至35°，优选约10°C。术语“约”是指测量误差容限。这使得轮平台26的每个面26A、26B具有朝向轮中心会聚的倒锥形的大致形状。这样，轮平台26的外周厚度e

每个切口28被配置为与相应的弹簧元件16A、16B的自由端22A、22B的邻接构件23配合。

因此，关于图1，一旦旋转结构12被安装并起作用，弹簧元件16的每个邻接构件23与轮平台26的第二面26B的切口28配合(如图9a和9b中详细示出的)。关于图2，第一弹簧元件16A的每个邻接构件23与轮平台26的第一面26A的切口28配合，第二弹簧元件16B的每个邻接构件23与轮平台26的第二面26B配合(如图9a和9b中详细示出的)。

更准确地说，每个第一表面30被配置为通过邻接来与每个弹簧元件16、16A、16B的邻接构件23配合，并且每个第二表面32被配置为通过滑动来与每个弹簧元件16、16A和16B的邻接构件23配合。因此，重要的是使邻接构件23具有特定的形状，使得能够改进邻接抵靠第一表面30以及在第二表面32之上的滑动(见图9a和9b)。

如图1和图2所示，旋转结构12还包括致动器34，该致动器34被配置为致动弹簧元件16、16A、16B。因此，致动器34依次导致可变形部14的伸长阶段和压缩阶段。如图1和图2所示，致动器34沿着主轴线X与旋转结构12对齐。

在一些实施例中(见图1和图2)，致动器34是包括电磁线圈C和永磁体M的电磁致动器。

在其他实施例(未示出)中，致动器34可以是流体泵。在另一实施例中，弹簧元件16、16A、16B可以包括微光敏阵列，并且可以由光源(例如激光)直接激活。在另一个实施例中，弹簧腿20可以包括一些电活性聚合物，因此在受到激励时对电场起反应并改变尺寸或形状。

在图1的实施例中，永磁体M沿着主轴线X从后部12B沿弹簧元件16的相反方向延伸。永磁体M在外壳H内部。线圈C围绕永磁体M延伸。在本实施例中，永磁体M固定到弹簧元件16的后端18B，并且，根据施加到线圈C的电流，磁体M往复运动，弹簧元件16与其一起移动。永磁体M的往复平移导致弹簧元件16伸长或压缩，这取决于阶段。阶段将在下文进一步定义。

在致动器34与弹簧元件16沿着主轴线X对齐的情况下，更具体地，在电磁致动器包括电磁线圈C和永磁体M的情况下(仅一个线圈C以永磁体M为中心)，微发动机10的直径能够减小到亚毫米尺寸，因此可以集成在微工程过程中。

一旦弹簧元件16被致动并开始运动，切口28的表面30、32与弹簧元件16的邻接构件23之间的配合使得能够将弹簧元件16的往复运动转换为轮平台26的旋转运动。

在图2的实施例中，永磁体M沿着主轴线X在后部12B和中心凹部25之间延伸，穿过后部12B的中心圆形开口15。永磁体M在它们各自的伸长阶段和压缩阶段期间朝向每个弹簧元件16A、16B往复平移。更准确地说，永磁体M固定到轮平台26，并且轮平台26与永磁体M一起移动。取决于施加到电磁线圈C的电流，磁体M往复运动。轮平台26的往复平移导致弹簧元件16A、16B伸长或压缩，这取决于阶段。阶段将在下文进一步定义。

在致动器34沿着主轴线X与弹簧元件16A、16B对齐的情况下，微发动机10的直径能够与图1的实施例类似地减小到亚毫米尺寸，并因此集成在微工程过程中。这特别是电磁致动器34的情况，该电磁致动器34包括电磁线圈C和永磁体M，其中只有一个线圈C以主轴线X为中心。

一旦弹簧元件16A、16B被致动并开始运动，切口28的表面30、32与弹簧元件16A和16B的邻接构件23之间的配合使得能够将两个弹簧元件16A、16B的往复运动转换为轮平台26的旋转运动。永磁体M与轮平台26一起旋转。轮平台26的这种旋转运动还使得能够旋转连接到微发动机10的微结构。

例如，在图2中，推进器P附接到轮平台26。当轮平台26开始运动时，推进器P跟随旋转并且也开始运动。

更准确地说，在致动器34是电磁致动器的情况下(图1和图2的示例)，当微发动机10启动时，永磁体M开始沿着主轴线X上下平移。该平移移动传递到弹簧元件16、16A、16B，更具体地传递到弹簧腿20。因此，每个弹簧腿20的末端也上下平移。然而，由于它们的螺旋形状，因此所述弹簧腿20也围绕主轴线X进行微小的旋转。该旋转通过邻接构件23传递到轮平台26的切口28，并因此整体传递到轮平台26。此外，图2的实施例使得轮平台26能够连续旋转，第一弹簧元件16A与第二弹簧元件16B工作在相反阶段。

在经典力学中，弹簧元件理论上能够被等效为谐振子。关于本发明，显然许多其它元件干扰了弹簧元件16A、16B的移动方程的定义。然而，

其中k是正的常数。

在图1的情况下，只有一个弹簧元件16呈现常数k。在图2的情况下，弹簧元件16A、16B沿着主轴线X串联定位。因此，常数k是两个弹簧元件16A、16B的等效刚度，k是两个弹簧元件16A和16B的常数k

显然，无论实施例如何，弹簧元件16、16A、16B在组装期间都处于预约束状态。

由于每个弹簧元件16、16A、16B的伸长导致轮平台26的旋转，轮平台26因此在可变形部14的每个压缩/伸长阶段旋转(因为弹簧元件16、16A、16B中的一个必然处于伸长阶段)。在可变形部14的每个压缩/伸长阶段期间，轮平台26的旋转角度取决于轮平台26的面26A、26B的切口28的数量。在弹簧元件16、16A、16B压缩/伸长期间，两个切口28之间的距离小于一个邻接构件23的行程的实施例中，轮平台26连续旋转。轮平台26上的切口28越多，所述轮平台26的旋转越平稳。

即使是连续的，轮平台26的旋转也是缓慢的，这是因为弹簧元件16、16A、16B的每次压缩/伸长允许单个切口28前进。然而，由于这些小的增量，旋转的扭矩很强。它的作用就像齿轮箱。轮平台16上的槽口28越多，旋转得到的扭矩越大。在设计和制造期间，被动齿轮箱能够利用多个切口28来实现。