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科学通报 2013年第S2期58卷 187-193页

作者：张常麟李鹏谢艳鹏杨洋李广勇刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院大学北京100049 Department of Electrical and Computer Engineering University of Pittsburgh

细胞膜特性是活细胞研究指标中的一项重要标记物,包括细胞膜杨氏模量、膜表面张力、膜上离子通道机械门控性等多种属性.这些属性在触摸、刺痛等机械力刺激信号介导的感知系统中起着重要的作用.然而,由于缺乏有效的研究工具和手段,现阶... 详细信息

细胞膜特性是活细胞研究指标中的一项重要标记物,包括细胞膜杨氏模量、膜表面张力、膜上离子通道机械门控性等多种属性.这些属性在触摸、刺痛等机械力刺激信号介导的感知系统中起着重要的作用.然而,由于缺乏有效的研究工具和手段,现阶段对细胞膜特性的研究还并不广泛、深入.为此,本文将平面膜片钳技术与纳米操作机器人技术相集成,建立了一套能够对细胞施加超微机械力刺激并同步检测细胞电生理信号与物理特性变化的细胞多维信息检测系统.该系统主要包括平面膜片钳、纳米操作机器人与微流控系统3部分,能够实现细胞封接、细胞内液更换和信号采集与处理的自动化操作.利用该综合系统,本文深入研究了不同钳制电压对神经瘤Neuro-2a细胞膜杨氏模量的影响,实验结果表明随着钳制电压的增大,细胞膜杨氏模量逐渐减小.理论分析结果与实验一致.

关键词：平面膜片钳纳米操作机器人杨氏模量钳制电压

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基于纳米操作机器人的石墨烯切割力各向异性研究

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科学通报 2013年第S2期58卷 181-186页

作者：张嵛王越超周磊刘连庆董再励席宁中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院大学北京100049 香港城市大学深圳研究院

石墨烯的独特之处在于其电学特性与其边缘结构几何构型密切相关,而如何大规模可控地剪裁石墨烯是石墨烯走入实际应用的前提.利用纳米操作机器人技术,从实验上系统研究了石墨烯切割力与切割方向的关系,结果表明石墨烯切割力各向异性,与... 详细信息

石墨烯的独特之处在于其电学特性与其边缘结构几何构型密切相关,而如何大规模可控地剪裁石墨烯是石墨烯走入实际应用的前提.利用纳米操作机器人技术,从实验上系统研究了石墨烯切割力与切割方向的关系,结果表明石墨烯切割力各向异性,与石墨烯的晶格结构相吻合.这表明在石墨烯加工过程中,实时切割力可作为反馈信息从而实现石墨烯的可控加工.

关键词：石墨烯纳米操作机器人切割力各向异性

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SEM纳米操作机器人的鲁棒控制方法研究

SEM纳米操作机器人的鲁棒控制方法研究

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作者：杨利涛苏州大学

学位级别：硕士

后摩尔时代的集成电路特征尺寸已经进入量子效应显著的范围,传统的硅基芯片已经接近了性能极限,而碳基芯片的计算速度是硅基芯片的3-5倍,具有室温下导热性好,承载电流上限高,频响快等优点,因而碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)成为了有望... 详细信息

后摩尔时代的集成电路特征尺寸已经进入量子效应显著的范围,传统的硅基芯片已经接近了性能极限,而碳基芯片的计算速度是硅基芯片的3-5倍,具有室温下导热性好,承载电流上限高,频响快等优点,因而碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)成为了有望替代硅的材料之一。以半导体型单壁碳纳米管(Single-Wall Carbon Nanotube,SWNT)为构建单元的晶圆级别碳基芯片,在自下而上和自上而下的加工方法上都存在着重大挑战,纳米操作方法是对上述加工技术的一种有效补充,因而需要能够在晶圆尺度,在复杂结构中对SWNT进行三维操作的纳米操作机器人(Nano manipulation robot,NMR)。本文针对纳米操作机器人三维运动精度控制问题,提出了 SEM显微视觉反馈的运动控制方法,将三维运动简化为二维平面运动,提出了纳米尺度位移实时测量方法,可以以显微镜的分辨率对位移进行测量;提出了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)逆模型的前馈与比例—积分(PI)反馈相结合的控制方法,同时对输出电压进行比例—积分—微分(PID)稳压,从而对纳米操作机器人的单轴定位精度进行优化;设计了基于输入输出灵敏度函数权重混合调整的鲁棒控制器,对纳环境下的热干扰进行抑制;通过双轴的鲁棒控制器以及一个额外的交叉耦合控制器对纳米操作机器人的双轴轨迹精度进行优化。本课题研究的内容可以具体分为以下四部分:(1)针对纳米操作机器人驱动控制与纳米尺度位移测量的问题,对粘滑驱动原理进行了分析,并提出了一种基于扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)二次电子图像的目标位移实时测量方法,搭建了纳米操作机器人的纳米尺度位移测量系统,进行了跟踪目标位移测量实验,并对SEM的图像尺寸进行标定,其理论位移测量分辨率优于1nm。(2)针对纳米操作机器人大行程步进驱动与微动精确控制问题,对步进阶段的步距输出进行了分析,并对其真实步距输出进行了修正,提出了一种融合PI逆模型前馈控制、基于图像识别的PI位移反馈控制以及输出电压PID稳压控制的综合控制方法,用以对微动阶段进行精确控制,进行了微动定位实验,其定位精度达到了1.8nm。(3)针对纳米操作机器人在纳观环境下受到的热干扰问题,对真空中纳米操作机器人驱动过程中的热干扰进行分析,搭建热干扰模拟平台,设计了基于输入输出灵敏度函数权重混合调整的鲁棒控制器,通过权重函数的选取,对热干扰进行抑制。进行了热干扰抑制实验,在存在热干扰的情况下依旧保证纳米操作机器人1.8nm的定位精度,并且其重复定位精度小于两个像素即3.6nm。(4)针对纳米操作机器人的双轴轨迹优化控制问题,提出了一种双轴鲁棒控制结合交叉耦合控制的控制方案,对纳米操作机器人典型轨迹的轮廓误差进行分析,基于几何轮廓误差模型,对轨迹误差进行计算,在以鲁棒控制器对单轴优化控制后,添加一个额外的交叉耦合控制器,对双轴的轨迹精度进行控制,进行了双轴直线轨迹以及圆轨迹实验,与之前组中工作相比优化后,1μm行程的直线轨迹平均误差优化了 75%,1μm直径圆轨迹平均误差优化了 64%。

关键词：微纳操作纳米操作机器人纳环境干扰鲁棒抑制微纳操作双轴轨迹优化

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纳米机器人操作元任务的划分以及CNT自主拾取应用研究

纳米机器人操作元任务的划分以及CNT自主拾取应用研究

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作者：韩驰瑞苏州大学

学位级别：硕士

随着集成电路特征尺寸进入量子效应显著范围,集成芯片技术的发展已经来到了后摩尔时代,芯片的功耗瓶颈使得尺寸缩小难以维持既有的比例。碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)是可能性极高的替代硅的材料之一,北京大学、英特尔公司和IBM公司... 详细信息

随着集成电路特征尺寸进入量子效应显著范围,集成芯片技术的发展已经来到了后摩尔时代,芯片的功耗瓶颈使得尺寸缩小难以维持既有的比例。碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)是可能性极高的替代硅的材料之一,北京大学、英特尔公司和IBM公司等早已开始对CNT本身的性能以及使用CNT制造微纳器件进行深入研究。CNT的直径通常为几个纳米,传统的设备与技术对单根CNT的性能测量不是很适用。借助扫描电子显微镜并在其中搭建纳米操作机器人,能够在纳米尺度下使用机器人操作技术对CNT进行多种精准处理。本文针对纳米操作机器人自动拾取CNT的问题,提出了学习纳米操作机器人CNT拾取元任务中运动技能实现自动拾取CNT的方法。基于纳米操作机器人元任务划分准则,建立纳米操作机器人CNT拾取的元任务运动模型,设计了纳米操作机器人元任务的调用策略,实施调用多个元任务进行自动拾取CNT实验,验证了纳米操作机器人通过元任务学习人类操作技能并复现方法的可行性,成功拾取长5微米的单根CNT,为纳米操作机器人自动执行其它微纳操作任务奠定了基础。本论文的主要研究内容如下:(1)针对建立纳米操作机器人元任务划分关键点的问题,本文开展了多次人工示教实验,分析纳米操作机器人与操作对象的关系,建立了元任务的划分准则。通过图像处理技术获得纳米操作机器人的平面运动轨迹和清晰度变化情况,实施两步划分步骤,将完整的人类操纵的任务演示划分为多个简单的元任务,并成功应用到CNT拾取任务。(2)针对纳米操作机器人学习人类示教中运动技能的问题,本文研究了不同演示划分出来的同一个元任务的区别,并基于元任务的轨迹特征,提出了针对每一种元任务运动技能的学习的方法。根据元任务轨迹之间的区别,归类了元任务的多种运动轨迹。制定了优化元任务每一类轨迹的优化过程,可生成最优的元任务示教轨迹,并使用动态运动基元学习轨迹。测试结果表明,动态运动基元能够复现元任务的演示轨迹。(3)针对纳米操作机器人的多个元任务的调用问题,分析了 CNT拾取任务完整的操作过程,建立了正常情况下拾取任务中各个元任务的多种组合顺序,建立了纳米操作机器人CNT拾取任务的有限状态机模型。由于微观环境下,纳米操作机器人在运动过程中,可能会碰到一些操作上的错误,开展多次CNT拾取实验,分析了可能会发生的错误,并将这些错误进行分类,针对那些能够修正的错误,增加修正元任务,添入纳米操作机器人碳纳米管拾取的有限状态机模型。(4)开展多次自动拾取CNT实验。应用前面的方法划分获得拾取任务的多个元任务并进行相应的优化和学习,搭建自动拾取CNT的实验平台,研究纳米操作机器人驱动与控制方法,从纳米操作机器人复现单个元任务实验出发,进行多个元任务自动拾取CNT实验。实验结果表明,成功自动拾取了长4.8微米的单根CNT,验证了纳米操作机器人通过元任务学习人类操作中的运动技能并复现是可行的,为之后实现纳米操作机器人自动执行其它纳米操作任务奠定了基础。

关键词：纳米操作机器人微纳操作示教学习动态运动基元

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单分子病毒三维可控操作方法

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科学通报 2013年第15期58卷 1456-1462页

作者：张常麟刘连庆王越超王文学董再励李广勇中国科学院沈阳自动化研究所、机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院大学北京100049 Department of Electrical and Computer Engineering University of Pittsburgh Pittsburgh 15261 USA

单个病毒的三维操作对自下而上开展单分子尺度的细胞免疫学研究具有重要的意义,然而受操作工具及操作方法的限制,该问题一直未能得到很好的解决.以基于原子力显微镜的纳米操作机器人为基础,开展了针对单个病毒分子的三维操作研究,具体包... 详细信息

单个病毒的三维操作对自下而上开展单分子尺度的细胞免疫学研究具有重要的意义,然而受操作工具及操作方法的限制,该问题一直未能得到很好的解决.以基于原子力显微镜的纳米操作机器人为基础,开展了针对单个病毒分子的三维操作研究,具体包括:高均匀分散性病毒样品制备方法,基于局部扫描的病毒三维操作结果实时检测策略,以及微观尺度下病毒三维空间的定点放置实现.实验结果表明,本文提出的操作方法与技巧,不仅能够实现单个病毒分子在三维空间内的可控定点拾取与释放,还可与二维操作方法相结合,构建出全病毒分子的三维纳米结构,实验结果验证了所提方法的正确性和有效性,从而为自下而上的细胞免疫学开展提供了可行的技术途径.

关键词：病毒三维操作纳米操作机器人高分辨率表征

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扫描电子显微镜下碳纳米管/铂金温度传感器的组装与测试

扫描电子显微镜下碳纳米管/铂金温度传感器的组装与测试

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作者：沈大明哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

细胞的健康状态和各种生命活动伴随着细胞温度的变化,因此对单个细胞温度变化的研究具有重要意义。目前只能对细胞群的温度变化进行可靠的测量,但测量不够精确,而对单个细胞温度变化测量的过程中又对细胞存在较大损伤。本文立足于对单... 详细信息

细胞的健康状态和各种生命活动伴随着细胞温度的变化,因此对单个细胞温度变化的研究具有重要意义。目前只能对细胞群的温度变化进行可靠的测量,但测量不够精确,而对单个细胞温度变化测量的过程中又对细胞存在较大损伤。本文立足于对单个细胞温度分布无损测量的需求,运用扫描电子显微镜和搭建的纳米操作系统,组装以碳纳米管为骨架附着铂金颗粒的纳米温度传感器。分析纳米操作器的操作空间,提出搭建策略、设计传感器各部分的连接方法,通过实验检验该传感器的可行性。提出碳纳米管/铂金温度传感器的组装与测试的总体方案。确定满足总体方案所运用的纳米操作机器人各组成部分的参数。应用扫描电子显微镜的工作原理,特点及其结构,在扫描电子显微镜下搭建了纳米操作系统。研究碳纳米管及附着金属的性能,并选用实验材料与辅助和测试设备。开发了纳米温度传感器组装过程中所需的几种关键技术。建立了纳米操作机器人的工作空间方程;理论分析了AFM探针拾取碳纳米管策略的可行性,并通过实验验证;理论分析电子束辐照融合连接碳纳米管方法的可行性,并对该方法设计验证实验。运用上述系统和技术组装出纳米温度传感器样机。设计了单探针原位与双探针非原位温度传感器搭建策略,并通过多次实验选择最优搭建策略;对搭建好的温度传感器进行拉断力实验,以确保温度传感器在测量过程中的可靠性;在碳纳米管表面附着铂金颗粒,并测量其导电性能的变化。通过实验数据分析来对碳纳米管/铂金温度传感器进行测评。多次实验测量温度传感器温度电阻关系,经过对实验结果处理、分析实验误差来源,可以分析传感器的重复性与抗漂移性,对比附着金属颗粒前后碳纳米管温度传感器的性能,为下一步研究奠定了基础。本文通过在扫描电子显微镜下运用纳米操作系统组装碳纳米管/铂金纳米温度传感器并对其进行了测试,为单个细胞温度分布情况的测试提供了技术手段。

关键词：电子束融合扫描电子显微镜纳米操作机器人温度传感器碳纳米管

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