一种超声波液滴操控方法和系统技术方案

一种超声波液滴操控方法和系统，包括如下步骤：1)将液滴置于超疏水表面层，采集液滴图像进行分析处理得到液滴的位置信息；2)根据液滴的位置信息控制超声波装置移动至液滴上方；3)控制超声波装置通电对液滴产生声辐射力使其悬浮或非悬浮；4)根据设定的液滴操控任务进行路径规划，控制超声波装置按照规划的路径移动以操控液滴移动，本发明专利技术创新性地将超声悬浮技术与超疏水表面相结合用于液滴操控，可极大减小结构表面上的液滴运动阻力，降低超声探头功耗。功耗。功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波液滴操控方法和系统


[0001]本专利技术涉及液滴操控领域，特别是指一种超声波液滴操控方法和系统。

技术介绍

[0002]液体操控是生化分析中取样、混合、提纯等关键环节必不可少的基础操作，高效灵活可控的液滴操控技术可以实现样本高效快速并行处理、增大实验反应通量、减小反应体系体积，在生物医学、分析化学等领域有广泛需求。目前的液滴操控有磁场、电场、光场、介电泳、热梯度、超声波等操控手段。
[0003]超声波用于液滴操控具有免标记、非接触、可操控液滴尺寸范围宽、操控效率高、热效应不明显等优点，且超声波与液体的耦合作用还会产生声流效应，可以加速化学和催化反应。目前超声液滴操控方法主要基于声表面波技术和超声悬浮技术，相较于声表面波技术，超声悬浮基于用于液滴操控具有非接触、操控效率高、操控装置制造成本低等优势，是未来有望在自动化生化分析仪器中实现产业化应用的超声波液滴操控技术。相比于传统移液方法，超声波悬浮技术用于液滴操控可避免样本交叉污染，且无样本残留，确保移液过程中样本的完整性和活性。此外，超声波液滴操控具有非接触特征，无需一次性移液吸头，可降低耗材成本及对环境的污染，适用于大型生化分析检测仪器。
[0004]现有超声波悬浮技术用于液滴操控存在如下局限性：
[0005](1)功耗高。现有超声波悬浮技术用于液滴操控需要给超声探头输入较大功率以保证有足够的声梯度力来让液滴悬空，从而实现液滴的运动操控，由于结构表面上的液滴运动通常需要克服较大的界面摩擦阻力，还未见超声悬浮技术用于结构表面上的液滴运动控制的相关报道。
[0006](2)液滴控制精度低。现有超声波悬浮技术用于液滴操控主要基于超声探头面阵的相位调制来控制声场空间分布，存在液滴位置控制精度较差、操控灵活性欠佳等问题。
[0007](3)智能化水平低。目前超声悬浮技术用于自动化液滴操控已有初步研究，其主要基于超声探头面阵的声场可编程调控，存在液滴运动范围有限，硬件系统复杂等缺点；且液滴运动控制缺乏反馈，无法实现面向复杂场景应用的液滴运动路径智能优化。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的在于克服现有技术中液滴操控存在的操控功耗高、液滴控制精度低、效率低、智能化水平低，提出一种超声波液滴操控方法和系统，液滴控制精度高、效率高、降低功耗。
[0009]本专利技术采用如下技术方案：
[0010]一种超声波液滴操控方法，其特征在于：包括如下步骤
[0011]1)将液滴置于超疏水表面层，采集液滴图像进行分析处理得到液滴的位置信息；
[0012]2)根据液滴的位置信息控制超声波装置移动至液滴上方；
[0013]3)控制超声波装置通电对液滴产生声辐射力使其悬浮或非悬浮；
[0014]4)根据设定的液滴操控任务进行路径规划，控制超声波装置按照规划的路径移动以操控液滴移动。
[0015]优选的，步骤1)中，所述采集液滴图像进行分析处理得到液滴的位置信息，具体包括如下：
[0016]首先对采集的所述液滴图像进行二值化处理，使得前景物体液滴的边界保持白色，再通过图像的侵蚀与扩张运算消除噪点，只留下液滴的边界轮廓；而后，通过遍历图像寻找轮廓的最小闭合圈得到液滴的数量、直径以及图像像素坐标信息；之后，通过坐标转换将液滴的图像像素坐标信息转换为液滴在超疏水表面层上的坐标信息。
[0017]优选的，步骤3)中，所述液滴悬浮是指在声辐射力作用下，所述液滴被提升到离开超疏水表面层；所述液滴非悬浮是指在声辐射力作用下，所述液滴的重力被部分平衡但并未离开所述超疏水表面层。
[0018]优选的，步骤3)中，通过控制超声波装置与超疏水表面层之间距离满足声波半波长整数倍时，能使所述液滴悬浮。
[0019]优选的，步骤4)中，所述根据设定的液滴操控任务进行路径规划，具体包括如下：根据所述液滴的位置信息进行路径演算，取最优解得到规划的路径。
[0020]优选的，步骤5)中，所述液滴操控任务包括有液滴非悬浮移动、液滴悬浮移动、液滴混合和液滴分离。
[0021]一种超声波液滴操控系统，其特征在于：包括如下
[0022]工作台，设有超疏水表面层；
[0023]三轴运动平台，连接驱动所述超声波装置移动；
[0024]超声波装置，设置于所述超疏水表面层上方以对液滴产生声辐射力使其悬浮或非悬浮；
[0025]图像采集装置，设置于所述超疏水表面层下方以采集液滴图像；
[0026]控制装置，根据设定的液滴操控任务进行路径规划，控制超声波装置按照规划的路径移动以操控液滴移动。
[0027]优选的，所述图像采集装置采用工业相机，其帧率≥20fps，所述图像采集装置与所述超疏水表面层之间的工作距离≥10cm，且在10cm处的视场范围≥6*6cm。
[0028]优选的，所述超疏水表面层为超疏水纳米结构的表面层，其为具有接触角大于150
°
、滚动角小于3
°
的超疏水效果的超疏水表面层；所述超疏水表面层可见光透过率≥50％。
[0029]优选的，超声波装置采用单个超声波探头或多个超声波探头或超声面阵探头；所述超声波装置操控的液滴体积范围为10nL
‑
200μL。
[0030]由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0031]1、本专利技术的方法和系统，将液滴置于超疏水表面层，采集液滴图像进行分析处理得到液滴的位置信息；根据设定的液滴操控任务进行路径规划，控制超声波装置按照规划的路径移动以操控液滴移动在工作台上设有超疏水表面层，创新性地将超声悬浮技术与超疏水表面相结合用于液滴操控，可极大减小结构表面上的液滴运动阻力，降低超声探头功耗。
[0032]3、本专利技术的方法和系统，利用机器视觉辅助进行超声波装置的运动控制，并结合
机器学习智能算法，可实现液滴运动路径智能优化，实现液滴智能避障、混合和智能分离等操作，提升超声波液滴操控的智能化水平，在生化分析领域具有广泛的应用前景。
[0033]4、本专利技术的方法和系统，采用三轴运动平台驱动超声波装置移动，其包括机架、X轴滑组、Y轴滑组、Z轴滑组和控制器，超声波装置固定于Z轴滑组上的夹持装置，采用可编程控制的三轴运动平台驱动超声波装置移动，可提升液滴的操控精度和效率，提升超声波液滴操控的自动化水平。
附图说明
[0034]图1为本专利技术流程图；
[0035]图2为本专利技术结构图；
[0036]图3为图2的侧视图；
[0037]图4为液滴不悬浮移动示意图；
[0038]图5为图4的俯视图；
[0039]图6为液滴悬浮移动示意图；
[0040]图7为图6的俯视图；
[0041]图8为液滴混合示意图；
[0042]图9为图8的俯视图；
[0043]图10为液滴分离示意图；
[0044]图11为图10的俯视图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波液滴操控方法，其特征在于：包括如下步骤1)将液滴置于超疏水表面层，采集液滴图像进行分析处理得到液滴的位置信息；2)根据液滴的位置信息控制超声波装置移动至液滴上方；3)控制超声波装置通电对液滴产生声辐射力使其悬浮或非悬浮；4)根据设定的液滴操控任务进行路径规划，控制超声波装置按照规划的路径移动以操控液滴移动。2.如权利要求1所述的一种超声波液滴操控方法，其特征在于：步骤1)中，所述采集液滴图像进行分析处理得到液滴的位置信息，具体包括如下：首先对采集的所述液滴图像进行二值化处理，使得前景物体液滴的边界保持白色，再通过图像的侵蚀与扩张运算消除噪点，只留下液滴的边界轮廓；而后，通过遍历图像寻找轮廓的最小闭合圈得到液滴的数量、直径以及图像像素坐标信息；之后，通过坐标转换将液滴的图像像素坐标信息转换为液滴在超疏水表面层上的坐标信息。3.如权利要求1所述的一种超声波液滴操控方法，其特征在于：步骤3)中，所述液滴悬浮是指在声辐射力作用下，所述液滴被提升到离开超疏水表面层；所述液滴非悬浮是指在声辐射力作用下，所述液滴的重力被部分平衡但并未离开所述超疏水表面层。4.如权利要求1所述的一种超声波液滴操控方法，其特征在于：步骤3)中，通过控制超声波装置与超疏水表面层之间距离满足声波半波长整数倍时，能使所述液滴悬浮。5.如权利要求1所述的一种超声波液滴操控方法，其特征在于：步骤4)中，所述根据设定的液滴操控任务进行路径规划，具体包...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗涛，王皓正，周伟，谢瑜，褚旭阳，刘骏烨，李晓炜，刘宇航，刘明航，罗闻丽雅，何西，田剑晨，吴粦静，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：