Наноструктурное захватное устройство микроманипулятора

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в качестве рабочего органа микроманипулятора. Захватное устройство содержит основание, крепежное приспособление, рабочую поверхность захватного устройства, выполненную из наноструктурного материала. В основании равномерно установлены в сеточном порядке пьезоэлементы. Изобретение позволит расширить функциональные возможности, а также нейтрализовать вредные составляющие адгезии, обусловленные силами электростатики. 4 ил.

 

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в качестве рабочего органа микроманипулятора.

Известно вакуумное захватное устройство, содержащее источник вакуума и систему вакуумного присоса в виде пневмоприсоски. В качестве источника вакуума использован собственный источник вакуума, выполненный в виде пневматического пьезонасоса, состоящего из деформируемого элемента в виде силового пьезокристалла и эластичного элемента конструкции, который выполнен в виде цилиндра из эластичного материала. При этом в основной полости пневматического пьезонасоса установлены клапанные пьезоэлектрические механизмы в виде первого и второго клапанов, которые представляют собой первый и второй распределительные пьезокристаллы, расположенные между основной полостью пневматического пьезонасоса и соответственно внешней полостью пневматического пьезонасоса, то есть атмосферой, и полостью пневмоприсоски [патент РФ №2210493, кл. В25J 15/06, B25J 7/00, 2003].

Недостатком данного устройства является необходимость использования источника избыточного давления, что неоправданно усложняет всю конструкцию.

Также известен пьезоэлектрический манипулятор, выполненный в виде основы схвата, тяг, скоб и винта. Пьезоэлектрический привод выполнен в виде плоских пьезоэлектрических элементов. Магнитопроводящая шаровая основа соединена с основой схвата. К основе одними концами жестко прикреплены плоские пьезоэлектрические элементы. Со вторыми концами этих элементов соединены посредством скоб с возможностью скольжения вдоль пьезопривода тяги. Тяги прикреплены к основе схвата при помощи винта [патент РФ №2172239, кл. B25J 7/00, 2001].

Основным недостатком устройства является возможность нанесения случайных деформаций или разрушений структуры микрообъектов при захвате.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является капиллярный микрозахват с обратной связью, содержащий основание, крепежное приспособление, причем основание выполнено из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью, на которое с рабочей поверхности в сеточном порядке установлены конденсаторы влаги, выполненные в виде термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, между конденсаторами влаги в решетчатом порядке размещены электропроводниковые пластины, по контуру основания установлены электроды [патент РФ №2261795, кл. B25J 15/00, B25J 7/00, 2005].

Существенным недостатком прототипа является сложная реализация операции выпускания, при которой электрическая цепь образуются пропусканием электрического тока непосредственно через микрообъект, что вызывает различные формы адгезии микрообъекта к основанию захватного устройства, обусловленные силами электростатики. Кроме того, принцип действия захватного устройства позволяет работать только с микрообъектами, изготовленными из электропроводниковых материалов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей, а также нейтрализация вредных составляющих адгезии, обусловленных силами электростатики.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в захватном устройстве микроманипулятора, содержащем основание с рабочей поверхностью, крепежное приспособление, в отличие от прототипа рабочая поверхность выполнена из наноструктурного материала, а в основании равномерно установлены в сеточном порядке пьезоэлементы.

В предложенном техническом решении используются в качестве эффективных сил удержания микрообъектов силы Ван-дер-Ваальса, возникающие между рабочей поверхностью захватного устройства и поверхностью микрообъекта. Это позволяет расширить функциональные возможности и работать не только с микрообъектами, изготовленными из электропроводниковых материалов.

На фиг.1 представлена конструкция наноструктурного захватного устройства микроманипулятора; на фиг.2а - захват микрообъекта; на фиг.2б - выпускание микрообъекта; на фиг.3 - задача расчета силы Ван-дер-Ваальса между сферическим микрообъектом и поверхностью рабочего органа; на фиг.4 - задача расчета силы Ван-дер-Ваальса между сферическим микрообъектом и поверхностью рабочего органа с учетом ее шероховатости.

Наноструктурное захватное устройство микроманипулятора (фиг.1) содержит основание 1, крепежное приспособление 2, рабочую поверхность 3 захватного устройства, выполненную из наноструктурного материала, в основании 1 равномерно установлены в сеточном порядке пьезоэлементы 4.

Наноструктурное захватное устройство микроманипулятора работает следующим образом.

В основу принципа действия устройства заложены межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. Согласно теории Лондона сила взаимодействия между двумя молекулами определяется производной энергии дисперсионного взаимодействия по расстоянию [Ландау Л.Д. Квантовая механика: Нерелятивистская теория. - М.: Наука, 1989. - 767 с.]:

,

Основываясь на этом, можно определить силу притяжения, возникающую между поверхностями рабочего органа и микрообъектом в целом. Она равна сумме всех парных взаимодействий молекул исследуемых поверхностей:

Силу Ван-дер-Ваальса между поверхностью рабочего органа и сферическим микрообъектом можно записать следующим образом [Arai F., Andou D., Fukuda Т., Nonoda Y., Oota T. Micro manipulation based on micro physics-strategy based on attractive force reduction and stress measurement // IEEE/RSJ Conf. on Intell. Robots and Systems IROS'95, 1995, Pittsburgh, USA, vol.2: 236-241]:

,

где H - константа Гамакера, d - диаметр микрообъекта, z - расстояние микрообъект - рабочий орган (фиг.3).

На практике силы межмолекулярного взаимодействия будут в значительной степени определяться шероховатостью взаимодействующих поверхностей. К примеру, силу Ван-дер-Ваальса F_ВдВ(П) между основанием рабочего органа с шероховатостью b и микрообъектом (фиг.4) можно найти из следующего выражения [Arai F., Andou D., Fukuda Т., Nonoda Y., Oota T. Micro manipulation based on micro physics-strategy based on attractive force reduction and stress measurement // IEEE/RSJ Conf. on Intell. Robots and Systems IROS'95, 1995, Pittsburgh, USA, vol.2: 236-241]:

где F_ВдВ - величина силы Ван-дер-Ваальса для основания рабочего органа с абсолютно гладкой поверхностью. При z=0,4 нм величина силы Ван-дер-Ваальса для абсолютно гладкой поверхности и поверхности с шероховатостью b=0,1 мкм будет отличаться более чем в 16000 раз в пользу абсолютно гладкой поверхности (b=0).

Для достижения максимальной гладкости поверхности рабочего органа и соответственно наибольших величин сил Ван-дер-Ваальса в заявляемом изобретении предлагается использование наноструктурных материалов (Ni, Cu и др.) [Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000]. Важным преимуществом использования наноструктурных материалов для изготовления поверхности рабочего органа, по сравнению с их крупнокристаллическими аналогами, является очень малый размер зерен (0,1 мкм и менее). Это позволяет значительно снизить шероховатость, увеличить на несколько порядков силы Ван-дер-Ваальса, а также обеспечить более предсказуемый характер изменения эффективной силы удержания.

Поскольку в заявляемом изобретении в качестве эффективных сил удержания объектов сборки используются силы Ван-дер-Ваальса, вредные составляющие адгезии, обусловленные силами электростатики, будут минимальны, а эффективность работы захватного устройства не будет зависеть от электропроводящих свойств микрообъектов.

Для захвата микрообъекта с помощью заявляемого изобретение необходимо обеспечить контакт рабочей поверхности 3 захватного устройства с поверхностью микрообъекта (фиг.2а). В момент контакта микрообъект налипает на рабочую поверхность 3 захватного устройства и удерживается на ней под действием сил Ван-дер-Ваальса.

Для реализации операции выпускания снижается величина суммарной силы парных взаимодействий молекул поверхностей микрообъекта и рабочей поверхности 3 захватного устройства путем подачи электрического напряжения на пьезоэлементы 4, которые работают на растяжение-сжатие (фиг.2б), при растяжении которых происходит увеличение расстояния z микрообъект - рабочий орган. В момент времени, когда величина гравитационных сил превышает значение эффективных сил удержания, микрообъект падает под действием силы тяжести.

Следует отметить, что заявляемое изобретение может быть использовано особенно эффективно при работе с микрообъектами, которые полностью или частично (поверхность) изготавливаются из наноструктурных материалов. В этом случае будут наибольшие значения сил Ван-дер-Ваальса между поверхностями микрообъекта и рабочей поверхностью захватного устройства, что позволит при операциях микроманипулирования более надежно удерживать микрообъект.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности путем отказа от привязки принципа действия захватного устройства к электропроводящим свойствам микрообъектов, а также нейтрализовать вредные составляющие адгезии, обусловленные силами электростатики.

Захватное устройство микроманипулятора, содержащее основание, рабочую поверхность, крепежное приспособление, отличающееся тем, что рабочая поверхность выполнена из наноструктурного материала, а в основании равномерно в сеточном порядке установлены пьезоэлементы.