中科院沈陽自動化所劉連慶研究員課題組：利用氣泡作為微型機(jī)器人實現(xiàn)零件的操縱和裝配

來源：摩方精密

工業(yè)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于制造和組裝,，但是在微觀尺度上，大多數(shù)組裝技術(shù)只能將微模塊簡單的排列在一起,，很難將其裝配在一起形成一個不易分散的實體,。近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所劉連慶研究員領(lǐng)導(dǎo)的微納米機(jī)器人課題組利用激光產(chǎn)生和控制的氣泡作為微型機(jī)器人,，將不同形狀和功能的微小零件裝配在一起,。這些微小零件是通過PμSL 3D打印技術(shù)（摩方精密，nanoArch S130）制備而成,。在這項研究中,，表面氣泡充當(dāng)芯片上的微型機(jī)器人。這些微型機(jī)器人可以移動,、固定,、抬起和放下微型零件，并將它們集成在一起,，形成緊密連接的實體,。

以燕尾形零件的裝配過程為例（圖1），氣泡機(jī)器人首先將帶有榫舌的微型零件抬起，而后另一個移動微氣泡機(jī)器人將帶有卯眼的微型零件移動至指定的位置,，原先的微氣泡在激光關(guān)閉后緩慢消失從而使得榫舌結(jié)構(gòu)插入卯眼中,。用此方法裝配的微型零件可以作為一個整體運動而不會分離。類似地,，將不同類型的零件整體組裝可以得到不同的結(jié)構(gòu),，例如齒輪、蛇形鏈條和車輛,，然后由氣泡微型機(jī)器人驅(qū)動它們以執(zhí)行不同形式的運動,。這種組裝技術(shù)既簡單又有效，有望在微操作,、模塊化組裝和組織工程中發(fā)揮重要作用,。該工作以“Integrated Assembly and Flexible Movement of Microparts Using Multifunctional Bubble Microrobots”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。https://doi.org/10.1021/acsami.0c17518

△圖1. 裝配過程和實驗系統(tǒng)示意圖,。A) 燕尾形零件的裝配過程,。B) 系統(tǒng)的示意圖。

當(dāng)激光照射在非晶硅表面時,，由于光熱效應(yīng),，在固液界面處會產(chǎn)生一個氣泡，并可在激光的控制下進(jìn)行移動,。當(dāng)氣泡產(chǎn)生在微模塊的底部時,，氣泡可將微模塊抬起。本研究利用氣泡產(chǎn)生過程快而溶解過程慢的特點,，先控制一個氣泡將微零件抬起,，然后利用第二個氣泡移動另一個微零件。當(dāng)?shù)谝粋�氣泡緩慢消失時,，第一個零件緩慢落下,，兩個微零件能夠裝配在一起。利用氣泡對微零件的三維操作能力,，將二維組裝變?yōu)槿�維裝配,。

利用不同形狀的微零件，可以得到齒輪（圖2）,、鏈條（圖3）和小車（圖4）等不同的結(jié)構(gòu),，這些結(jié)構(gòu)在氣泡的驅(qū)動下可以進(jìn)行多種靈活的運動。

△圖2. 齒輪結(jié)構(gòu)的裝配過程及運動

△圖3. 鏈條結(jié)構(gòu)的裝配過程及運動

△圖4. 小車結(jié)構(gòu)的裝配過程及運動

總而言之,，該研究利用微小氣泡作為機(jī)器人,，對微零件進(jìn)行抬起、移動,、固定等操作,，并利用氣泡機(jī)器人的三維操作能力,，將多個零件裝配成整體，提供了一種新的微尺度操作和裝配技術(shù),。
（以上相關(guān)介紹內(nèi)容由中科院沈陽自動化所微納米機(jī)器人課題組代利國博士提供）


上述研究工作涉及的PμSL微尺度3D打印技術(shù)由摩方精密提供,，因此摩方公司就這一創(chuàng)新型成果對中科院沈陽自動化所微納米機(jī)器人課題組進(jìn)行了更進(jìn)一步的補充訪談，以下為部分內(nèi)容：

1,、BMF：請問利用氣泡作為微型機(jī)器人來操縱微型零件有哪些優(yōu)勢,？潛在的應(yīng)用有哪些,？

代博士：氣泡作為微型機(jī)器人,，可以對單個的零件進(jìn)行多種形式的操作，特別是可以控制微模塊的三維姿態(tài),，這是其相比于其他微納操作技術(shù)的優(yōu)勢,。其可以用于操作細(xì)胞、顆粒和微模塊等,，在生物醫(yī)學(xué),、組織工程等領(lǐng)域都有應(yīng)用前景。

2,、BMF：請問在這次研究中,，為什么采用微尺度3D打印的制備方式？

代博士：我們設(shè)計的零件包含各式各樣的微米尺度接頭,，比如燕尾形的榫舌和卯眼等,，其中最小細(xì)節(jié)尺寸30μm，并且這些結(jié)構(gòu)有尺寸配合的要求,。摩方公司的3D打印技術(shù)可以很好的滿足我們的要求,，尺寸和形狀都可以按照設(shè)計進(jìn)行靈活加工，誤差也在可控范圍內(nèi),。此外,，面投影光刻3D打印技術(shù)可以批量化快速制作零件，有助于實驗的順利完成,。