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基于AFM的机器人化纳米操作系统综述

机械工程学报 2009年第6期45卷 14-23页

作者：田孝军王越超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 美国密西根州立大学电子与计算机工程系东兰辛M148824美国

对基于扫描隧道显微镜(Scanning tunnel microscope,STM)及原子力显微镜(Atomicforcemicroscope,AFM)的纳米操作技术发展进行阐述,针对其中存在的主要问题,引述出机器人化纳米操作的必要性。接着,对国内外机器人化纳米操作系统的研究进... 详细信息

对基于扫描隧道显微镜(Scanning tunnel microscope,STM)及原子力显微镜(Atomicforcemicroscope,AFM)的纳米操作技术发展进行阐述,针对其中存在的主要问题,引述出机器人化纳米操作的必要性。接着,对国内外机器人化纳米操作系统的研究进展、现状及存在的主要问题进行详细分析,提出基于AFM的机器人化纳米操作系统的结构原型,并指出实现机器人化纳米操作所需解决的关键技术问题及相应的解决方案之一,为进行深入的机器人化纳米操作研究提供了可以借鉴的研究方向。

关键词：纳米操作原子力显微镜机器人化探针定位信息反馈

基于探针定位的原子力显微镜纳米操作虚拟夹具实现

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机械工程学报 2014年第13期50卷 142-147页

作者：袁帅刘连庆王志东王智宇侯静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 沈阳建筑大学信息与控制工程学院沈阳110168 千叶工业大学先进机器人系

尽管基于原子力显微镜(Atom force microscopy,AFM)的纳米操作在过去10年间取得了极大进展,但依然有两个问题没有得到很好解决:探针的精确定位和稳定性操作。由于压电陶瓷驱动器非线性和温漂的影响,使得探针相对于被操作物体的定位极其... 详细信息

尽管基于原子力显微镜(Atom force microscopy,AFM)的纳米操作在过去10年间取得了极大进展,但依然有两个问题没有得到很好解决:探针的精确定位和稳定性操作。由于压电陶瓷驱动器非线性和温漂的影响,使得探针相对于被操作物体的定位极其困难,从而造成纳米操作任务失败;同时,因为探针仅能对被操作物体施加点式作用力,在操作中经常出现探针滑过被操作物体,或者引起被操作物体的转动、形变等非理想结果,阻碍纳米操作的深入发展。针对上述问题,提出基于概率的虚拟夹具纳米操作方法,其核心思想是在基于路标观测的探针定位基础上,实现基于概率的探针多点并发操作策略—虚拟夹具方法。仿真与试验结果验证该方法可以稳定、长距离的推动纳米颗粒,能够对一维纳米材料(管、线、棒)进行定姿态操作,从而使AFM纳米操作效率得到极大提升。

关键词：原子力显微镜虚拟夹具纳米操作

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面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统

机器人 2021年第3期43卷 331-339页

作者：王超武毅男方勇纯樊志刘存桓南开大学人工智能学院机器人与信息自动化研究所天津市智能机器人技术重点实验室

在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)面临缺乏实时视觉反馈的问题.为此,搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统.具体而言,首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系... 详细信息

在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)面临缺乏实时视觉反馈的问题.为此,搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统.具体而言,首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系之间的映射关系,从而得到虚拟场景中样品的顶点信息,进而通过3维图形引擎渲染样品的虚拟形貌.在此基础上,提出了一种基于接触力学理论的样品形变估计和仿真方法,对探针按压导致的样品形变进行了虚拟视觉反馈,从而使得刻画的虚拟形貌能够和样品的真实形貌保持一致,并准确地还原按压过程中样品表面的形貌变化.仿真和实验结果表明,所设计的纳米操作可视化系统能够在虚拟场景中实时呈现AFM纳米操作过程.

关键词：原子力显微镜纳米操作虚拟视觉反馈形变仿真

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基于纳米操作的纳米线钎焊结构组装及互连

中国激光 2021年第8期48卷 281-289页

作者：管延超王根旺王扬丁烨杨立军哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

近年来,纳米线在纳米电子学、纳米光子学、纳米医学和纳米机电系统等领域的应用逐渐广泛,纳米线的连接已经成为未来器件小型化和集成化的关键问题。为了实现良好的纳米线互连,提出了一种基于扫描电子显微镜(SEM)的纳米线-纳米钎料原位... 详细信息

近年来,纳米线在纳米电子学、纳米光子学、纳米医学和纳米机电系统等领域的应用逐渐广泛,纳米线的连接已经成为未来器件小型化和集成化的关键问题。为了实现良好的纳米线互连,提出了一种基于扫描电子显微镜(SEM)的纳米线-纳米钎料原位互连结构组装、钎焊互连的方法。利用开发的SEM纳米操作平台,实现了直径为100 nm左右的ZnO纳米线与直径为180~300 nm的Ag纳米钎料的同基底互连结构组装。利用SEM聚焦电子束辐照熔融纳米钎料实现了纳米线钎焊互连,利用双探针纳米操作系统对焊接后的纳米线进行电流-电压(I-V)测试,钎焊后的纳米互连结构成功实现电流导通。

关键词：集成光学钎焊纳米操作纳米线互连组装电子束辐照

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具有三维力反馈的原子力显微镜纳米操作系统

仪器仪表学报 2006年第7期27卷 661-665页

作者：田孝军王越超刘连庆焦念东董再励席宁中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室

在基于原子力显微镜的纳米操作过程中,由于缺乏实时反馈信息,造成纳米操作效率低下且灵活性差,同时探针因受力过大而损坏。为此,本文通过对探针受力-悬臂变形进行建模,并根据实时检测到的悬臂变形信号、新的参数获取与校准方法,从而获... 详细信息

在基于原子力显微镜的纳米操作过程中,由于缺乏实时反馈信息,造成纳米操作效率低下且灵活性差,同时探针因受力过大而损坏。为此,本文通过对探针受力-悬臂变形进行建模,并根据实时检测到的悬臂变形信号、新的参数获取与校准方法,从而获取探针所受的实时三维纳米力。将此三力经比例放大后送入力/触觉设备进行感知,操作者就可以实时调节施加在探针上力的大小及探针的运动轨迹,使得操作的效率及灵活性明显提高,且可以避免探针因受力过大而造成损坏。纳米刻画和多壁碳纳米管的操作实验验证了系统的有效性。

关键词：原子力显微镜纳米操作三维纳米力

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基于局部扫描的实时反馈纳米操作系统

沈阳工业大学学报 2016年第1期38卷 74-79页

作者：侯静袁帅许可李孟歆吴成东沈阳建筑大学信息与控制工程学院沈阳110168 东北大学信息科学与工程学院沈阳110004 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

由于压电陶瓷机构的非线性及系统温度漂移等因素使AFM探针难以精确定位到被操作物体,从而导致跳针或滑落现象,阻碍了AFM纳米操作的发展.为了解决该问题,提出了基于局部扫描的实时反馈纳米操作系统.系统以样品表面的纳米颗粒作为路标并... 详细信息

由于压电陶瓷机构的非线性及系统温度漂移等因素使AFM探针难以精确定位到被操作物体,从而导致跳针或滑落现象,阻碍了AFM纳米操作的发展.为了解决该问题,提出了基于局部扫描的实时反馈纳米操作系统.系统以样品表面的纳米颗粒作为路标并对其进行持续观测,解决了系统温漂引起的探针定位误差问题,提高了探针的定位精度;在纳米操作过程中采用局部扫描策略,通过对操作后的结果进行快速扫描,实现了实时反馈纳米操作系统.实验结果验证了该纳米操作实时反馈系统在大温漂条件下操作的有效性.

关键词：局部扫描温漂补偿纳米操作实时反馈原子力显微镜路标观测快速扫描有效性

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纳米操作机驱动装置控制方法研究与实验设计

纳米操作机驱动装置控制方法研究与实验设计

作者：田兆刚哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

纳米技术正在被越来越多的技术人员和机构所关注,越来越被重视并迅速发展。纳米操作是纳米技术的基础技术,现在以分子、原子以及纳米级物质的加工、操作技术已经非常炙手可热。纳米操作系统(这里指纳米操作机和电镜的集成系统)是一个通... 详细信息

纳米技术正在被越来越多的技术人员和机构所关注,越来越被重视并迅速发展。纳米操作是纳米技术的基础技术,现在以分子、原子以及纳米级物质的加工、操作技术已经非常炙手可热。纳米操作系统(这里指纳米操作机和电镜的集成系统)是一个通过末端执行机构对纳米级物体进行操作的系统,可以应用在例如医学、生物、电子工程等不同的领域。基于SEM的纳米操作系统具有实时成像、样品不受基底影响、可多机械手协调工作、操作空间大、更高的自由度和灵活性、可进行复杂三维操作等优点,在医疗、生物、纳米材料、环境等方面有很大的潜力。本文是基于SEM的纳米操作系统的课题里面的一部分,针对在SEM内部进行纳米操作这一领域,研究的主要内容有:第一章中给出了纳米技术、纳米操作系统的背景,纳米技术、纳米操作系统、纳米操作控制技术研究现状,交代了课题的来源及其意义。第二章中给出了纳米操作机的介绍,纳米操作机和SEM (扫描电子显微镜)的集成研究。分析了 SEM的结构以及工作原理,纳米操作机的结构以及组成。给出了压电致动器的粘滑驱动原理分析,粘滑驱动电路设计。第三章中对压电致动器建模,通过对叠堆型压电陶瓷的电学模型和机械动力学模型进行分析和结合得到最终的输入电压与输出位移之间的关系公式。紧接着对数字PID进行了必要的说明,为本章对模型的控制以及第四章基于数字PID的改进算法做了铺垫。最后在MATLAB下对建模得到的传递函数使用PID控制,对PID参数进行整定后试验并得到实验结果以及结果分析。第四章中首先对BP (反向传播)神经网络进行了必要的分析推导,紧接着给出了基于BP神经网络的PID控制算法的控制模型、函数信号以及误差信号的计算方法、系统BP神经网络的训练方法。随后使用S函数以及Simulink模块直观的对比两个控制算法在相同输入信号下面的输出,最后对二者进行比较分析。得到了基于BP神经网络的PID控制算法比数字PID控制算法控制效果更好的结论。最后给出了改进算法的进一步改进方向,提出了可以尝试的新途径。第五章中对操作系统的安装以及试验操作步骤进行说明,对纳米线的操作策略进行分析以及如何使用EBID对纳米线进行拾取和放置。最后给出了测量纳米线电阻、压阻、以及四探针自动测量测量的操作方法,并对涉及到的MEMS (微机电系统)、肖特基势垒、图像处理算法等做了必要的说明。在最后,给出了对锡纳米线的阻值测量曲线和硅纳米线在不同应变下的阻值曲线。

关键词：纳米操作系统压电致动器数字PID BP神经网络纳米操作

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纳米操作系统的研究现状与关键技术

制造技术与机床 2007年第3期 54-57页

作者：王乐锋荣伟彬孙立宁哈尔滨工业大学机器人研究所黑龙江哈尔滨150001

纳米操作是用于研究纳米材料、结构和装置的性质特征的基本技术,也是纳米构筑单元准备、纳米设备装配的必备技术。目前典型的纳米操作系统有基于扫描探针显微镜的系统,基于电子显微镜的系统,基于光镊的系统及混合式系统。详细阐述了各... 详细信息

纳米操作是用于研究纳米材料、结构和装置的性质特征的基本技术,也是纳米构筑单元准备、纳米设备装配的必备技术。目前典型的纳米操作系统有基于扫描探针显微镜的系统,基于电子显微镜的系统,基于光镊的系统及混合式系统。详细阐述了各类系统的特点和发展现状。分析了末端工具、显微成像、定位与驱动、操作策略等纳米操作系统中的关键技术,并对发展趋势进行了展望。

关键词：纳米操作研究现状关键技术

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具有实时视觉／触觉反馈的纳米操作系统

高技术通讯 2006年第1期16卷 36-40页

作者：刘连庆焦念东田孝军董再励席宁王越超中国科学院沈阳自动化研究所机器人重点实验室沈阳110016 中国科学院研究生院北京100039

由于缺乏实时的传感器信息反馈，导致传统的基于原子力显微镜的纳米操作盲目，操作效率和成功率都非常低。为了克服这一问题，设计和实现了一种具有实时视觉和三维触觉反馈的纳米操作系统。当利用该系统进行纳米操作时，操作者不但可以... 详细信息

由于缺乏实时的传感器信息反馈，导致传统的基于原子力显微镜的纳米操作盲目，操作效率和成功率都非常低。为了克服这一问题，设计和实现了一种具有实时视觉和三维触觉反馈的纳米操作系统。当利用该系统进行纳米操作时，操作者不但可以实时感受到探针与被操作物体间的相互作用力，还可以在3D增强现实图像界面中观察到纳米操作场景的变化，并可以在线控制探针的三维运动。这种交互式的操作系统使得纳米操作变得容易可行。纳米刻画实验和多壁碳纳米管的推动宾验验证了该系统的有效性和高效率。

关键词：纳米操作力反馈视觉反馈人机交互原子力显微镜