超声激励的运动方向可调的微机器人及其原位制备芯片制造技术

超声激励的运动方向可调的微机器人及其原位制备芯片属于微纳驱动领域。所述超声激励的运动方向可调的微机器人包括微机器人主体、柔性尖锐尾部Ⅰ、柔性尖锐尾部Ⅱ和头部捕获口。所述微机器人主体采用椭圆形轮廓流线型设计，在微机器人主体的一端连接两个成一定夹角(β)的柔性尖锐尾部，分别是柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ；在微机器人主体的另一端有头部捕获口。本发明专利技术所述微机器人及其原位制备芯片的生物兼容性良好，可广泛应用于生物医学、化学分析等领域，满足靶向送药及原位制造微器件存储等应用需求。件存储等应用需求。件存储等应用需求。

【技术实现步骤摘要】
超声激励的运动方向可调的微机器人及其原位制备芯片


[0001]本专利技术属于微纳驱动领域，涉及微流体中微纳机器人的驱动、运动控制及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，微纳机器人系统的研究受到了广泛关注。微纳机器人的驱动方式包括化学反应驱动、磁场驱动、光学驱动和超声驱动等。化学反应驱动的微纳机器人推进大多依赖于有毒燃料(例如H2O2)的催化作用或具有有限驱动寿命的推进剂的分解。磁场驱动的微纳机器人一般需要Fe或Ni等磁性成分的加入，磁场为其提供推进力和导向，但一般旋转磁场驱动工作较复杂，驱动设备偏大。光学驱动的微纳机器人大多是在紫外线(UV)或近红外(NIR)光下实现自主推进的，但紫外线对人体有害，高强度的近红外光会极大地改变局部温度，并会因热辐射引起细胞损伤。超声波具有组织穿透能力、高度的可调性和MHz范围内的生物相容性，近年来超声驱动的微纳机器人在生物医学应用方面显示出巨大的发展前景。
[0003]目前，超声驱动的微纳机器人主要通过激励自身结构捕获的微气泡的气液界面振动产生推进力。2015年，宾夕法尼亚州立大学提出一种超声驱动的微机器人，该微机器人由具有一个或多个锥形凹槽的矩形聚合物主体组成。当微机器人浸没在液体中时，气泡会被困在锥形凹槽中，气泡的位置决定了微机器人实现直线或旋转运动。2016年，匹兹堡大学提出一种超声驱动的圆柱形气泡微机器人。利用共振频率匹配的气泡才能产生强烈的振荡并产生较大推进力的特点，在单个微机器人上排布制作有多个不同长度的气泡捕获微管，通过控制声场的激励频率实现了二维运动。2019年，宾夕法尼亚州立大学提出一种采用三维直接光刻和金属沉积组合技术制作的超声驱动的半胶囊形状微机器人，能够通过外加磁场控制其在三维空间的运动方向。
[0004]以上所述超声驱动的微纳机器人通过超声激励微气泡推进，具有驱动力大，操作方便和生物兼容性好等优点，但其中的微气泡在液体环境中难以长期保持尺寸不变，因而无法在液体环境中长久的稳定运动；此外，仅依靠超声驱动的微纳机器人运动方向可调性差，大多只能实现直线或旋转运动，需要结合其他能量场才能实现运动方向的控制。

技术实现思路

[0005]针对现有超声驱动的微纳机器人的运动方向可调性差、输送能力弱、检测功能缺失及原位制造容易丢失等不足，本专利技术提出一种超声激励的运动方向可调的微机器人，同时提出了上述微机器人的原位制备芯片。
[0006]为达到上述目的，本专利技术所述超声激励的运动方向可调的微机器人采用的技术方案如下：
[0007]所述超声激励的运动方向可调的微机器人包括微机器人主体、柔性尖锐尾部Ⅰ、柔性尖锐尾部Ⅱ和头部捕获口。
[0008]所述微机器人主体采用椭圆形轮廓流线型设计，在微机器人主体的一端连接两个
成一定夹角(β)的柔性尖锐尾部，分别是柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ；在微机器人主体的另一端有头部捕获口。
[0009]所述微机器人主体的椭圆形长轴为70
‑
90μm，短轴为35
‑
45μm；
[0010]所述微机器人的柔性尖锐尾部Ⅰ与微机器人主体连接点为椭圆形的短轴上顶点和中心点；
[0011]所述微机器人的柔性尖锐尾部Ⅱ与微机器人主体连接点为椭圆形的短轴下顶点和中心点；
[0012]所述柔性尖锐尾部Ⅰ的长度为150
‑
250μm，柔性尖锐尾部Ⅱ的长度为250
‑
400μm，柔性尖锐尾部Ⅰ的长度与微机器人的厚度比为7：1；
[0013]所述柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ的长度之差为100μm；
[0014]所述柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ分别与微机器人主体的短轴(上下)顶点水平线夹角(α)相同为0
°‑4°
；
[0015]所述柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ之间的夹角(β)圆角处理，圆角半径为3
‑
5μm；
[0016]所述微机器人的头部捕获口为梯形体(锐边圆角化处理，圆角半径为2μm)，开口宽度(上底)为30
‑
60μm，梯形体尺寸的比例为上底宽度：下底宽度：高度＝5：2：4，梯形体长度与微机人厚度相同。
[0017]所述微机器人的工作原理为：基于微尺度的非线性声学原理，柔性尖锐尾部在超声激励下振荡，并在尖端周围产生一对反向旋转的涡流，柔性尖锐尾部周围流体的局部运动对微机器人反作用，产生一个与流体相反方向的推进力，进而驱动微机器人运动。
[0018]所述微机器人的使用方法为：将微机器人置于水中，采用超声声源对水中的微机器人进行激励。柔性尖锐尾部在共振频率下具有较大的振荡，进而将尾部振荡转化为推进力。通过改变超声激励频率可以选择性引起其中的一条柔性尖锐尾部的振荡占主导驱动，或两条柔性尖锐尾部均势驱动。当其中一条柔性尖锐尾部振荡占主导驱动时，微机器人可以实现转向运动；当两条柔性尖锐尾部均势驱动时，微机器人可以实现直线运动。此外，也可在运动过程中调整激励频率使两个柔性尖锐尾部交替地占主导驱动，通过调整两个柔性尖锐尾部占主导驱动的时间，进而实现不同的运动轨迹。
[0019]所述微机器人的头部捕获口，在实时可调的运动下完成对目标物的捕获和输送。
[0020]所述微机器人制造的前驱体溶液中添加功能性材料：荧光素(methacryloxyethyl thiocarbamoyl rhodamine B)。利用荧光素特性，可实现对环境温度变化进行标定检测。
[0021]所述微机器人的制备方法为：采用光刻技术，通过UV光照固化微机器人制造的前驱体溶液实现原位制备。
[0022]本专利技术所述超声激励的运动方向可调的微机器人的原位制备芯片采用的技术方案如下：
[0023]所述微机器人的原位制备芯片包括PDMS芯片、PDMS薄膜、玻璃基底；PDMS芯片设置有进液口、出液口、栅墙、栅格和主流道。
[0024]所述PDMS薄膜位于玻璃基底上，PDMS芯片位于PDMS薄膜上；
[0025]所述进液口和出液口直径相同，为300μm
‑
500μm，贯穿于PDMS芯片；
[0026]所述主流道宽度为1000μm 1200μm，长度为12000μm 20000μm，其一端与进液口相
连通，另一端与出液口相连通；
[0027]所述主流道、栅格深度相同，为20μm 50μm；
[0028]所述栅墙的高度与栅格的深度相同，两个相邻的栅墙形成一个栅格；
[0029]所述栅墙、栅格长度为800μm
‑
1000μm，栅墙宽度为100μm
‑
120μm，栅格宽度30μm
‑
80μm；栅墙、栅格距进液口(出液口)中心距离为2000μm。
[0030]所述原位制备芯片采用光刻、浇筑、键合等微加工工艺制作。
[0031]所述PDMS薄膜的作用为利用PDMS的透氧性，微机器人制造时在PDMS薄膜附近形成一个未聚合的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声激励的运动方向可调的微机器人，其特征在于：包括微机器人主体、柔性尖锐尾部Ⅰ、柔性尖锐尾部Ⅱ和头部捕获口；所述微机器人主体采用椭圆形轮廓流线型设计，在微机器人主体的一端连接两个成夹角β的柔性尖锐尾部，分别是柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ；在微机器人主体的另一端有头部捕获口；所述微机器人主体的椭圆形长轴为70
‑
90μm，短轴为35
‑
45μm；所述微机器人的柔性尖锐尾部Ⅰ与微机器人主体连接点为椭圆形的短轴上顶点和中心点；所述微机器人的柔性尖锐尾部Ⅱ与微机器人主体连接点为椭圆形的短轴下顶点和中心点。2.根据权利要求1所述的一种超声激励的运动方向可调的微机器人，其特征在于：所述柔性尖锐尾部Ⅰ的长度为150
‑
250μm，柔性尖锐尾部Ⅱ的长度为250
‑
400μm，柔性尖锐尾部Ⅰ的长度与微机器人的厚度比为7：1。3.根据权利要求1所述的一种超声激励的运动方向可调的微机器人，其特征在于：所述柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ的长度之差为100μm。4.根据权利要求1所述的一种超声激励的运动方向可调的微机器人，其特征在于：所述柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ分别与微机器人主体的短轴顶点水平线夹角相同，且为0
°‑4°
。5.根据权利要求1所述的一种超声激励的运动方向可调的微机器人，其特征在于：所述柔性尖锐尾部Ⅰ和柔性尖锐尾部Ⅱ之间的夹角β圆角处理，圆角半径为3
‑
5μm。6.根据权利要求1所述的一种超声激励的运动方向可调的微机器人，其特征在于：所述微机器人的头部捕获口为梯形体且该梯形体锐边圆角化处理，圆角半径为2μm，开口宽度即上底为30
‑
60μm，梯形体尺寸的比例为上底宽度：下底宽度：高度＝5：2：4，梯形体长度与微机人厚度相同。7.根据权利要求1所述的一种超声激励的运动方向可调的微机器人，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘本东，张少华，乔玫玫，杨佳慧，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：