一种磁驱动微孔板阵列表面的方向依赖性运输机器人

技术领域

本发明涉及材料表面加工及微纳米运输技术领域，具体涉及一种磁驱动微孔板阵列表面的方向依赖性运输机器人。

背景技术

定向微结构运输是一种在微纳米尺度下实现精密控制的方法，其主要应用于生物医学领域以及微型机器人等领域。微结构运输的研究源于对微纳米器件的需求，由于微纳米尺度下物理、化学、生物等方面的特性与宏观物理不同，因此需要专门的技术来实现精确的控制。该技术的研究仍然面临着很多挑战和难点。未来随着科学技术的不断进步，定向微结构运输技术有望在生物医学领域和微型机器人等领域实现更为广泛的应用和发展。

在生物医学领域，定向微结构运输技术主要应用于细胞操作、细胞分析、药物输送等方面。通过控制微结构的运动，在细胞层面上实现精准的操纵，有望为细胞治疗、细胞诊断等领域带来革命性的突破。在微型机器人领域，定向微结构运输技术被广泛应用于制造微型机器人、微型传感器等微纳米器件。通过对微结构的定向运输，可以实现对微型机器人的精确操作，使其能够在微纳米尺度下完成各种任务，如微型组装、微型加工、微型探测等。

由外部场驱动的微纳米结构表面上的定向运输在生物医学、诊断和治疗以及药物开发或输送领域具有很高的潜在应用前景。传统的运输机器人往往需要在表面上进行特殊的处理，如涂覆特殊涂层或安装导轨等，以保证机器人的运动轨迹。而微结构运输机器人则不需要进行这些额外的处理，它们利用微小的结构特征在表面上移动，无需依赖传统导轨等。这些微结构运输机器人可以通过表面张力、电磁力等方式进行控制，具有高精度、低成本和易于制造等优点，适用于各种复杂表面的运输任务。这种运输方式结构简单、可靠性高，具有很高的实际应用价值。根据不同的驱动方式，人们提出了热驱动、pH驱动、光驱动、磁驱动、电驱动和超声驱动等方式。然而，在制备具有良好生物相容性、可远程操作、低成本和小体积等特性的运输系统方面，仍存在许多问题亟待解决。

目前，制备磁驱动微结构的方法主要包括模具复制、3D打印和无模具自组装等。其中，3D打印技术可以通过计算机辅助设计和制造，将三维模型直接转化为实物微结构；而无模具自组装技术则利用物质的自组装能力在无模板情况下自行组装成所需微结构。Li等人利用三维打印技术和模板法制作磁驱动微孔板结构时，其制备工艺复杂，成本较高，并且其方向依赖性能力相对较弱。

现有的微结构运输方面，常见的驱动方式存在一些限制。例如由pH敏感型水凝胶组成的微结构在pH驱动中易受到化学物质的损害；热致型形状记忆聚合物的热驱动应用受到温度限制；声波驱动缺乏方向性控制；光驱动需要较高的光资源；虽然填充电敏纳米粒子的电驱动微结构可以通过远距离操作和外部电场实现精确控制，但在生物学应用方面存在很大的限制。

在制造可被外部场驱动的微结构方面，采用3D打印技术制备微米甚至纳米级别的微结构需要更高的制造精度和成本；无模具自组装技术则利用物质的自组装能力，在无需模板的情况下自我组装成所需的微结构，可以制造非常复杂的结构。然而，这种方法需要对材料性质进行精确的控制，例如控制表面张力、溶液浓度等，这对实验条件的稳定性要求非常高。并且在制造过程中容易出现不稳定的情况，例如组装不完整、结构变形等问题。

微结构的构造方面，常规的构造只具备单一功能，难以实现高效的定向运输和方向依赖性运输功能。此外，它们的运动容易受到环境因素的影响，无法精确地控制位置和速度。由于这些构造无法感知外部环境和内部状态，也无法做出相应的智能调控，因此在复杂的环境中应用受到限制的问题，因此提出一种磁驱动微孔板阵列表面的方向依赖性运输机器人，解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁驱动微孔板阵列表面的方向依赖性运输机器人，具有方向依赖性运输的优点，通过控制永磁体移动速度可以间接控制其运输速度，可以快速响应，实现高效稳定的运输。制作流程简单，并且不需要传统机械装置，降低了故障率和维护成本。此外，该运输机器人体积小、重量轻、功耗低，非常适合输送微型化物品。因此，该发明适用于电子、生物医学、化工等多个领域，具有很大的市场前景和应用价值等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种磁驱动微孔板阵列表面的方向依赖性运输机器人，包括支撑板，所述支撑板的顶部固定连接有运输机器人机构，所述运输机器人机构包括与支撑板固定连接的PDMS基底板，所述PDMS基底板的顶部固定连接有多个具有倾斜角度的磁性微孔板，多个所述磁性微孔板为不对称阵列，所述支撑板的底部滑动连接有驱动机构，所述支撑板的外表面固定连接有与驱动机构相连接的支撑调节机构。

作为本发明进一步的方案：所述驱动机构包括安装台，所述安装台的一侧固定连接有第一电机，所述第一电机的输出端通过联轴器固定连接有传动轴，所述传动轴的一端固定连接有与安装台转动连接的第一螺纹杆，所述第一螺纹杆的外表面螺纹配合有两个传动块，所述传动块的内表面滑动连接有与安装台相连接的导向杆，所述传动块的顶部通过连接板固定连接有安装框，所述安装框内滑动连接有与支撑板滑动连接的永磁铁，所述支撑调节机构固定安装在安装台上。

作为本发明进一步的方案：所述支撑调节机构包括与安装台固定连接的支撑架，所述支撑架上转动连接有两个第二螺纹杆，所述第二螺纹杆的外表面传动连接有传动机构，所述第二螺纹杆的外表面螺纹配合有与支撑板固定连接的连接框。

作为本发明进一步的方案：所述传动机构包括与支撑架固定连接的第二电机，所述第二电机的输出端通过联轴器固定连接有转动轴，所述转动轴的外表面固定套接有第一齿轮，所述第一齿轮的外表面啮合连接有与第二螺纹杆固定套接的第二齿轮。

作为本发明进一步的方案：所述磁性微孔板的材料由聚二甲基硅氧烷、固化剂和羰基铁粉按重量比10:1:10比例配制，并通过将混合的材料放入到微孔板模具中进行浇注固化得到磁性微孔板，同时在微孔板模具浇注过程中，将微孔板模具置于强度均匀的磁场中，均匀磁性混合物中的羰基铁粉被磁化为磁偶极子，其倾向于沿磁感线排列并在均匀磁场中形成紧密的链，磁性微孔板固化后在其一侧浇注PDMS基底板。

作为本发明进一步的方案：所述PDMS基底板材料由聚二甲基硅氧烷和固化剂按重量比10:1比例配制，并通过将PDMS基底板模具放入到微孔板模具一侧，随后将PDMS基底板材料浇注到PDMS基底板模具中进行固定，使磁性微孔板固定连接在PDMS基底板上。

本发明的有益效果：

(1)通过采用磁驱动技术，能够实现远距离操纵，具备良好的生物相容性。当磁体接近磁性微孔板阵列表面时，它们之间的吸引力逐渐增强，导致不对称微孔板产生大于90°的弯曲角度，同时在倾斜的不对称微孔板中储存弹性能。当磁体继续移动时，由于微孔板所在空间的磁场方向发生变化，导致磁性微孔板再次被磁化，磁性微孔板两极性反转，其储存的弹性能被迅速释放并产生强烈的回弹作用，不对称微板回弹时间在几毫秒内，回弹方向与磁体的移动方向相同。这种方法能够将大部分弹性势能转化为物体的动能，从而驱动物体向前运输。

(2)通过设计具有一定倾斜角度的磁性不对称微孔板阵列，实现并增强其方向依赖性运输功能。对于不同重量的物体，其在正行程中的传输能力高于反行程中的传输能力。方向依赖性运输归因于不对称结构，它调节不同运输方向的动能，微孔板倾斜一定角度可增强方向依赖性运输能力。此技术可用于运输不同软硬刚度和不同形状的物体，运输路径也可以设计为弯曲或倾斜，并可分离筛选不同重量的物体。该技术可以与微流控芯片、微传感器、微机器人等相连接，以实现物体输送、生物检测、微操作等领域。

(3)本发明通过引入两个永磁体，将未固化的磁性混合物置于强度均匀的磁场中。通过这种方式，未固化的磁性混合物中的羰基铁粉可以被磁化以形成磁偶极子，具有S和N极性，其倾向于沿磁感线排列并在均匀磁场中形成紧密的链。这种磁粒分布比随机磁粒分布具有更优越的磁化率和执行性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的外部结构第一立体图；

图2是本发明的外部结构第二图；

图3是本发明运输机器人运输返程的立体图。

图中：1、支撑板；2、运输机器人机构；3、PDMS基底板；4、磁性微孔板；11、安装台；12、第一电机；13、传动轴；14、第一螺纹杆；15、传动块；16、导向杆；17、安装框；18、永磁铁；21、支撑架；22、第二螺纹杆；23、连接框；24、第二电机；25、转动轴；26、第一齿轮；27、第二齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3所示，本发明为一种磁驱动微孔板阵列表面的方向依赖性运输机器人，包括支撑板1，所述支撑板1的顶部固定连接有运输机器人机构2，所述运输机器人机构2包括与支撑板1固定连接的PDMS基底板3，所述PDMS基底板3的顶部固定连接有多个具有倾斜角度的磁性微孔板4，多个所述磁性微孔板4为不对称阵列，不对称阵列，所述支撑板1的底部滑动连接有驱动机构，所述支撑板1的外表面固定连接有与驱动机构相连接的支撑调节机构，所述磁性微孔板4的材料由聚二甲基硅氧烷、固化剂和羰基铁粉粒径按重量比10:1:10比例配制，并通过将混合的材料放入到微孔板模具中进行浇注固化得到，同时在微孔板模具浇注过程中，将微孔板模具置于强度均匀的磁场中，均匀磁性混合物中的羰基铁粉被磁化为磁偶极子，其倾向于沿磁感线排列并在均匀磁场中形成紧密的链，磁性微孔板4固化后在其一侧浇注PDMS基底板3，所述PDMS基底板3材料由聚二甲基硅氧烷和固化剂按重量比10:1比例配制，并通过将PDMS基底板模具放入到微孔板模具一侧，随后将PDMS基底板材料浇注到PDMS基底板模具中进行固定，使磁性微孔板4固定连接在PDMS基底板3上，通过将被运输物体放在运输机器人4表面。正行程时，当永磁体18从初始点接近运输机器人机构2时，磁性微孔板4逐渐向永磁体6方向倾斜弯曲，弯曲角度可超过90°，能量储存在弯曲的微孔板中，随着永磁体18持续以恒定速度V运动，磁性微孔板4开始连续单独回弹，每次反弹都可以对物体5施加驱动力，从而实现物体的连续稳定的定向输送，反行程时，如图3所示，由于不对称磁性微孔板4的特殊结构，当永磁体从初始点接近磁性微孔板4阵列时，磁性微孔板4向磁体倾斜的角度小于90°，运输物体的能力下降，从而实现方向依赖性输运功能。

微板的变形机理，由于磁性微孔板被磁化，其倾向于沿磁感线排列并在均匀磁场中形成紧密的链，磁化后的磁性微孔板可以被认为是具有高纵横比的柔性磁棒，因此，当磁体从初始位置接近磁性微孔板时，微孔板被磁化到顶部的N极和底部的S极，微孔板的动态驱动是根据该定律进行的，该定律指出，磁铁的相反极吸引而相同的磁极排斥。当磁体靠近时，由于磁体相对极的吸引力，磁性微孔板4向磁体倾斜，由于吸引力的增加，倾斜角度逐渐增加到90°，当磁性微孔板4的倾斜角度达到90°并且磁线的方向不断变化时，磁性微孔板4中磁性颗粒的磁矩瞬间反转180°，磁性颗粒磁矩反转180"，磁性微孔板4中储存的弹性能释放，磁性微孔板4迅速反弹。微孔板的回弹过程，经过几次小规模的摆动，由于排斥力，它最终向相反的方向倾斜，最后，磁体的中心接近磁性微孔板4的轴线，由于相应方向的磁力而返回垂直方向。

因此，磁性微孔板4的反弹是通过释放弹性能(存储在倾斜的磁性微孔板中)和微孔板的极性反转来实现的。在运输过程中，微孔板反弹并对物体施加冲击力。因此，由于磁铁运动的冲击力，物体可以被输送。基于这一机制，该方法可以适用于不同环境下各种几何形状的运输。

所述驱动机构包括安装台11，所述安装台11的一侧固定连接有第一电机12，所述第一电机12的输出端通过联轴器固定连接有传动轴13，所述传动轴13的一端固定连接有与安装台11转动连接的第一螺纹杆14，所述第一螺纹杆14的外表面螺纹配合有两个传动块15，所述传动块15的内表面滑动连接有与安装台11相连接的导向杆16，所述传动块15的顶部通过连接板固定连接有安装框17，所述安装框17内滑动连接有与支撑板1滑动连接的永磁铁18，所述支撑调节机构固定安装在安装台11上，第一电机通过PLC编程程序控制，可控制第一电机12进行正反转动和转动的速度，通过第一电机12带动传动轴13转动，传动轴13带动第一螺纹杆14转动，第一螺纹杆14带动传动块15左右移动，传动块15通过连接板带动安装框17和永磁铁18进行左右移动。

所述支撑调节机构包括与安装台11固定连接的支撑架21，所述支撑架21上转动连接有两个第二螺纹杆22，所述第二螺纹杆22的外表面传动连接有传动机构，所述第二螺纹杆22的外表面螺纹配合有与支撑板1固定连接的连接框23，通过传动机构带动第二螺纹杆22正反转动，第二螺纹杆22带动连接框23进行上下移动，连接框23带动支撑板1和运输机器人机构进行上下移动，调节运输机器人机构2与永磁铁18的距离，从而调节运输调节机器人机构所处磁铁强度大小，磁铁强度大，运输能力大，以此来调节运输机器人机构运输能力大小。

所述传动机构包括与支撑架21固定连接的第二电机24，所述第二电机24的输出端通过联轴器固定连接有转动轴25，所述转动轴25的外表面固定套接有第一齿轮26，所述第一齿轮26的外表面啮合连接有与第二螺纹杆22固定套接的第二齿轮27，第二电机24通过PLC编程程序控制，可控制第二电机24进行正反转动和转动的角度，通过第二电机24带动转动轴25转动，转动轴25通过第一齿轮26和第二齿轮27带动螺纹杆22进行正反转动。

本发明的工作原理：通过将被运输物体放在运输机器人4表面。正行程时，当永磁体18从初始点接近运输机器人机构2时，磁性微孔板4逐渐向永磁体6方向倾斜弯曲，弯曲角度可超过90°，能量储存在弯曲的微孔板中，随着永磁体18持续以恒定速度V运动，磁性微孔板4开始连续单独回弹，每次反弹都可以对物体5施加驱动力，从而实现物体的连续稳定的定向输送，反行程时，如图3所示，由于不对称磁性微孔板4的特殊结构，当永磁体从初始点接近磁性微孔板4阵列时，磁性微孔板4向磁体倾斜的角度小于90°，运输物体的能力下降，从而实现方向依赖性输运功能。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。