【https://www.mdpi.com/2072-666X/9/3/126/htm#より機械翻訳】Micro-UFO(Untethered Floating Object):高精度のマイクロロボット操作技術

日記


こんにちは、\イッカクです/
今回は、世界的に有名なサイト「MDPI」から
マイクロUFO高精度のマイクロロボット操作技術
について載せておきます。

反磁性浮揚を伴う液体環境で移動するための高精度(ナノレベル)の位置精度を備えた新しいマイクロロボット操作技術が提示されます。外部から加えられた磁力によるマイクロロボットの束縛されていない操作は、特に医学的および生物学的応用の可能性のために、有望な研究分野として浮上している。提示された方法の目的は、基板の表面とマイクロロボットとの間の摩擦力を排除することである。高精度のモーションを実現するために、マイクロロボットの浮揚に必要な磁力は、COMSOL(バージョン5.3、COMSOL Inc.、ストックホルム、スウェーデン)の有限要素法(FEM)シミュレーションによって決定され、実験結果によって検証されました。リフターマグネットの位置に応じて、液体中のマイクロロボットの浮揚高さを分析的に見つけ、実験結果と直接比較しました。マイクロロボットの安定した動作範囲は30µmから330 µmであり、シミュレーションと実験結果の両方で確認されました。さまざまな速度と浮上高さで、与えられた軌道を高精度(<1 µmエラー平均)で追跡できます。ナノレベルの測位精度により、事前に指定された軌道(正弦波または円形)で目的の移動を実現できます。その移動中に、リフター磁石とキャリア磁石の間の位相差が観察され、抗力効果との関係が議論されました。強力な電磁石やかさばる永久磁石を使用せずに、私たちの操作アプローチは、液体環境でマイクロロボットを3次元で動かすことができます。マイクロロボットの安定した動作範囲は30µmから330 µmであり、シミュレーションと実験結果の両方で確認されました。さまざまな速度と浮上高さで、与えられた軌道を高精度(<1 µmエラー平均)で追跡できます。ナノレベルの測位精度により、事前に指定された軌道(正弦波または円形)で目的の移動を実現できます。その移動中に、リフター磁石とキャリア磁石の間の位相差が観察され、抗力効果との関係が議論されました。強力な電磁石やかさばる永久磁石を使用せずに、私たちの操作アプローチは、液体環境でマイクロロボットを3次元で動かすことができます。マイクロロボットの安定した動作範囲は30µmから330 µmであり、シミュレーションと実験結果の両方で確認されました。さまざまな速度と浮上高さで、与えられた軌道を高精度(<1 µmエラー平均)で追跡できます。ナノレベルの測位精度により、事前に指定された軌道(正弦波または円形)で目的の移動を実現できます。その移動中に、リフター磁石とキャリア磁石の間の位相差が観察され、抗力効果との関係が議論されました。強力な電磁石やかさばる永久磁石を使用せずに、私たちの操作アプローチは、液体環境でマイクロロボットを3次元で動かすことができます。さまざまな速度と浮上高さで、与えられた軌道を高精度(<1 µmエラー平均)で追跡できます。ナノレベルの測位精度により、事前に指定された軌道(正弦波または円形)で目的の移動を実現できます。その移動中に、リフター磁石とキャリア磁石の間の位相差が観察され、抗力効果との関係が議論されました。強力な電磁石やかさばる永久磁石を使用せずに、私たちの操作アプローチは、液体環境でマイクロロボットを3次元で動かすことができます。さまざまな速度と浮上高さで、与えられた軌道を高精度(<1 µmエラー平均)で追跡できます。ナノレベルの測位精度により、事前に指定された軌道(正弦波または円形)で目的の移動を実現できます。その移動中に、リフター磁石とキャリア磁石の間の位相差が観察され、抗力効果との関係が議論されました。強力な電磁石やかさばる永久磁石を使用せずに、私たちの操作アプローチは、液体環境でマイクロロボットを3次元で動かすことができます。リフター磁石とキャリア磁石の位相差を観測し、抗力効果との関係を検討した。強力な電磁石やかさばる永久磁石を使用せずに、私たちの操作アプローチは、液体環境でマイクロロボットを3次元で動かすことができます。リフター磁石とキャリア磁石の位相差を観測し、抗力効果との関係を検討した。強力な電磁石やかさばる永久磁石を使用せずに、私たちの操作アプローチは、液体環境でマイクロロボットを3次元で動かすことができます。

1.はじめに

マイクロロボットは、薬物送達、生検、マーキング、細胞操作、微粒子輸送など、目的の部位への損傷を最小限に抑えながら、多くの目的で生物学的および医学的用途有望方法です1、2、3、45、6 ]。_ マイクロロボットの最も一般的なアプリケーション分野の1つは、マイクロ流体システムです[ 7]。マイクロ流体環境では、マイクロロボットに作用する力に関連する流れの特性と環境への影響は、寸法が小さくなるにつれて変化します。たとえば、レイノルズ数が減少すると、マイクロ流体環境で層流挙動が発生します。層流環境では、マイクロ流体システムが高粘度の中程度の特性を示すため、マイクロオブジェクトの移動と移動が困難になります[ 8 ]。このような層流環境では、マイクロロボットを使用する代わりに、さまざまな種類のアプローチを使用してマイクロオブジェクトを転送および移動できます。これらのアプローチは、光ピンセット、温度勾配、静電力、誘電泳動力、および化学物質濃度の違いとして数えることができます9、10]。ただし、このようなアプリケーションでのマイクロロボットの使用は、空間効果、適用される操作力、およびマイクロ/ロボットオブジェクトの動きの精度を考慮すると、他のアプリケーションよりも多くの利点があります[ 2 ]。
単一細胞分析などの生物医学的アプリケーションでは、一部のマイクロオブジェクトを移動および転送するためにナノメートルの分解能が必要です[ 7、11 ]。マイクロロボットには他の方法と比較して利点がありますが、マイクロロボットの正確な運動能力を開発するための研究がまだ進行中です。マイクロ流体チップ内の媒体の粘度およびマイクロロボットとマイクロ流体基板間の摩擦力は、操作中のマイクロロボットの正確な運動と力の出力を制限する主な課題です[ 12]。たとえば、Bradley Nelsonetal。彼らのマイクロロボットの製造における人工細菌べん毛(ABF)に触発されました。この強磁性マイクロロボットはらせん構造をしており、回転磁界の作用により動くことができます。このような構造では、テールの回転運動により、低磁場で高効率の運動が可能になります[ 13]。このタイプのマイクロロボット設計では、らせん構造が制限であるように見え、さまざまなマイクロ流体アプリケーションでさまざまなマイクロロボット設計が必要なさまざまなロボット形状の設計を制限します。さらに、マイクロロボットは、加えられた磁力が一時停止され、マイクロロボットのサスペンションが失われたときに、その位置を保存しません。新井ほか また、マイクロロボット本体に永久磁石を使用した磁場効果によるマイクロロボット制御にも取り組んでおり、マイクロロボットの力出力と位置感度に焦点を当てています[ 2 ]。摩擦力を低減するためにマイクロロボットの設計を変更し、動作精度を向上させました[ 3]。しかし、制限要因として、基板とマイクロロボットの間にはまだ接触がありました。したがって、表面摩擦力を低減するために、超音波振動もマイクロ流体チップに導入されました[ 14 ]。すべての努力は、正確な操作と効果的な細胞操作を提供するために、表面接触を減らし、高い力を出力することにありました。しかし、超音波振動は、微小物体の振動と動きの主な理由である新しい問題を明らかにする要因でもありました。
Metin SittiとAraiによる最近の研究では、磁気浮上と音響浮上を使用して、それぞれ正確な測位と高い力の出力を提供していることが示されています。Metin Sittiの研究の設計は、電磁界の非線形分布のために不安定な運動制御を提供します[ 15 ]。残念ながら、時間効率の良いモーションコントロールを取得することは困難です。彼らの他の研究では、5自由度(DOF)のロボットは、8つの電磁石によって高速(> 20 mm / s)で移動できますが、マイクロロボットの向きは2.83mmの高い位置決め誤差で作成できます[ 16]。新井らの研究では。マイクロロボットを浮揚させるために加えられる超音波外力が、再び制限要因として現れました。超音波の存在は、液体環境にまだ存在しています[ 17 ]。また、Lucarinietal。液体環境におけるマイクロロボットのテレオペレーションおよび自律制御を調査しました。2mm / sの低速で操作する再現性の高いロバスト制御アルゴリズムを開発しましたが、平均誤差は250〜300 µmと高くなっています。さらに、制御応答の影響は高速では言及されていません[ 18]。これらの努力は、マイクロロボットの浮上研究では、より良い位置決め精度と力の出力を維持するための需要が高まっていることを示していますが、これらの研究はすべて、マイクロロボットの連続的なサスペンションを提供するために、ピエゾバイブレーターを駆動したり、かさばる電磁石を実行したりするために一定のエネルギー消費を必要としました。
この時点で、反磁性浮揚は、サスペンション機構を備えたマイクロロボットの正確な位置決めのための強力な方法として浮上しています。反磁性材料の上に配置されたマイクロロボットに埋め込まれた永久磁石の助けを借りて、マイクロロボットはアクティブな制御メカニズムなしで浮上することができます。反磁性浮揚に関する研究では、ビスマス[ 20 ]と永久磁石をそれぞれ2つに分割することにより、双極子-双極子[ 19 ]相互作用を使用できることがわかります。磁気アレイで動作するPigotのセットアップとは異なり、私たちのシステムは液体であるため、ラボオンチップシステムに適しており、制御精度が高くなります[ 20]。Profijtと彼のチームによると、浮揚高さは提案された方法よりもはるかに低い[ 19 ]。私たちの知る限りでは、最初のダイアマグネティックフローティングマイクロロボットアプリケーションは、Ron Pelrineetalによって開発されました。[ 21、22 ]。_ 彼らの研究では、印象的な動きの再現性と速度の結果が、マイクロロボットプリント回路基板(PCB)によって設計された軌道上に示されています。ただし、提案手法では、マイクロロボットを浮上させるために基板と4​​極磁石を調整する必要があります。また、zの浮揚高さを制御する方法-軸が指定されていません。水平方向に非常に速く移動するマイクロロボット浮上技術の存在にもかかわらず、理論的な計算はなく、最小および最大浮上範囲も指定されていません。さらに、提案された浮上システムは液体媒体に含まれていないため、ラボオンチップアプリケーションの可能性については議論されていません。PCBの電流は、通過経路の位置決め精度に影響を与えます。この場合、リニアステージの位置決め分解能は同じ効果を示します。PCBパス幅が大きく、パス間隔が広いほど、発生する磁場の分布の均一性が損なわれるため、感度が低くなります。
Feng Lingと彼のチームは、4極磁石を使用して受動反磁性浮揚を実行しました。しかし、軌道は最大で1 mmであり、動きの感度や制御戦略は彼らの研究で言及されていません[ 23 ]。また、本手法では、マイクロロボットの代わりに熱分解黒鉛(PG)を平衡力として利用しているため、外部のリング状の永久磁石1個で浮揚高さを制御しています。私たちのロボットはSU8と永久磁石の組み合わせで構成されています。また、リフターマグネットの位置に応じて、マイクロロボットの3D方向を提供することができます。以前の研究では、マイクロロボットの最大および最小動作点は、マイクロロボットのz軸上の浮上高さを制御することによっても示されます[ 24、25]。これらの研究では、反磁気的に浮上するマイクロロボット操作システムをセットアップするために最適なパラメーターを見つける方法も示しています。
この作業では、提案されたシステムは、単一のキャリア磁石とリフター磁石を使用して、液体環境での3次元運動制御のソリューションを提供します。電流制御を必要とせず、他の方法で発生する可能性のある熱やノイズなどの不要な物理的影響を排除できます。同様のアプローチによれば、サイズを1/4に縮小することができ、複雑な永久磁石の融合方法は必要ありません。将来的には、浮力を有効に活用できるさまざまな高分子マイクロロボットの構築が可能になります。この研究は、測位精度、位相差、および頭の傾きなどの運動反応を含む、理論的、数値的、および実験的要素を含む分析的アプローチを示しています。理論的に提示された方程式は、FEM解析によって数値的に解かれます。マイクロロボット浮揚の設計手順は、実験段階の前にマルチカップル物理解析によって示されます。提案されたアプローチは実験的に確認されています。さらに、複雑な軌道をサブミクロンの誤差で追跡できることが示されています。このように、操作の精度を高めるために、かさばる電磁設備や余分な感覚的アタッチメントを使用せずに、高精度のテザリングされていないマイクロロボット操作技術が開発されました。

2.数学モデル

2.1。Micro-UFOの概略図

反磁性力を使用することにより、マイクロアンテザードフローティングオブジェクト(マイクロUFO)の正確な浮上と非接触操作を実行できます[ 26、27、28 ]。ニュートンの第2法則によれば、運動特性は、キャリア磁石に加えられる力によって決定されます(図1を参照)。第一に、マイクロUFOのシステムダイナミクスは、提案された条件下での移動限界を見つけるためにモデル化されました。液体環境でマイクロUFOに加えられた力によってマイクロUFOが吊り下げられるポイントは、数学モデルによって実証できます。モデルで使用されるパラメーターを表1に示し、関連する力を回路図に示します(図1)。
1.z軸の浮揚とx軸に沿った横方向の動き にマイクロアンテザードフローティングオブジェクト(マイクロUFO)に作用する力を示しています。横方向の動きで発生する位相差は、リフターの中心とキャリアマグネットの間の距離として表されます。
表1. システムモデルのパラメーター。
図2では、マイクロUFOは、表面に熱分解グラファイトを備えた脱イオン(DI)水容器に配置されていることがわかります。容器の上には、浮揚に必要な磁力を発生させるリング状の磁石(リフター磁石)が配置されています。安定した超精密な浮上を実現するには、リフターマグネットをDI水容器に平行かつ堅固に配置する必要があります。そのために、3軸線形マイクロ/ナノ移動感度を備えたPIマイクロステージ(M-126.PD2 / 20mm×20mm×20mm、Physik Instrumente(PI)GmbH&Co。KG、カールスルーエ、ドイツ)を装備しました。 。手動マイクロステージを使用して、DI水容器を床と平行に配置し、必要に応じて3軸で移動しました。ナノセンシティブレーザー距離センサー(optoNCDT-ILD2300-50、マイクロイプシロン、ノースカロライナ州ローリー、システム内の浮上高さの即時測定には、USA)が好まれました。同時に、顕微鏡カメラレンズシステム(オリンパスSZX-7、オリンパスコーポレーション、東京、日本およびポイントグレイGS3-U3、FLIR統合イメージングソリューションインク、リッチモンド、ブリティッシュコロンビア、カナダ)を側面プロファイルから垂直に配置しました。マイクロUFOと熱分解グラファイト表面との機械的接触を観察します。マイクロUFOの浮上は、SU-8本体の中心に配置された外部リング型のN48グレードの「リフターマグネット」とN52グレードの「キャリアマグネット」を使用して実行されました。カナダ)を側面プロファイルから垂直に配置して、マイクロUFOと熱分解グラファイト表面との機械的接触を観察しました。マイクロUFOの浮上は、SU-8本体の中心に配置された外部リング型のN48グレードの「リフターマグネット」とN52グレードの「キャリアマグネット」を使用して実行されました。カナダ)を側面プロファイルから垂直に配置して、マイクロUFOと熱分解グラファイト表面との機械的接触を観察しました。マイクロUFOの浮上は、SU-8本体の中心に配置された外部リング型のN48グレードの「リフターマグネット」とN52グレードの「キャリアマグネット」を使用して実行されました。
図2. 実験のセットアップ全体を寸法とともに示しています。リフターマグネットが取り付けられている電動マイクロステージの制御は、Visual C#.Netプラットフォーム(Microsoft Corporation、米国ワシントン州レドモンド)でプログラムされた制御インターフェイスを介して実現されます。カメラ画像は同時に同じインターフェースに転送されます。レーザー変位センサーのデータは、センサー自体のインターフェースを介して取得されます。
図2に示す実験装置の構成に従って、液体環境でx軸上を移動する際にマイクロUFOに作用する非磁力と磁力を図2に示します。マイクロロボットの横方向の動きの間、それはマイクロUFOが置かれている液体から生じる摩擦力の影響を受けます。液体の流体力学的構造により、摩擦力はマイクロUFOの運動方向の影響を受けます。この効果により、リフター磁石とキャリア磁石の中心の間に位相差が生じます。これは、マイクロUFOの加速が、リフター磁石よりも低い摩擦力によって打ち消されるためです。
マイクロUFO浮上システムでは、DI-水が入ったアクリル容器が実験されました。熱分解グラファイトを容器の表面に置き、マイクロUFOをその上に置いた。

2.2。理論的背景

重力、浮力、抗力である非磁力を図1に示します。これらは、個別に次のように表すことができます。
Fr=mrg
FB=Vr((ρrρf g
FD=12cdρfAv |v |
マイクロロボットのコーナー領域では、渦効果が発生しますが、主にレイノルズ数の低い層流で動作します。このため、式(3)の「線形減衰項」を使用するよりも、「二次粘性項」を使用して抗力をより正確に計算することをお勧めします。次に、リフター磁石によって誘導される引力、Fm 、吊り下げられた磁石の体積で表すことができます[ 29 ]、

Fm=mzBz∂z _ v dv

どこmzは、キャリア磁石の体積要素dvの磁化です。あるいは、微分形式はトムソンの定式化によって次のように導出されます。

Fm=Vpχ2μ0μrB∇B _
境界条件などB20((μr− 0、平衡点での安定性を確保するために満たす必要があります。この方程式から、マイクロUFOに線形力を生成できるように、磁場勾配が必要です。マイクロUFOの位置は、マイクロUFOに対して磁場勾配を配置することによって制御できます。熱分解グラファイトによって誘発される最後の磁力、つまりマイクロUFOに対する反磁性反発力は、材料が均一であると仮定することによって導き出すことができます。この場合、単位体積あたりの反磁性力dvマイクロ磁石の磁場については、次のように表すことができます。

df=Mdia∇B d _v

どこMdiaは、それぞれキャリア磁石の磁場内の反磁性材料の位置での磁化です。以来χdia値が非常に小さいため、次のように表すことができます。

Mdia= χdiaμ0B
式(7)を(6)に代入すると、すべての反磁性材料の体積積分をとることができます。したがって、反磁性材料とキャリア磁石の間の力は、次のように取得できます。

Fdia x= χdia2μ0V((∂ ||2∂x _ dv
Fdia y=χdia2μ0V((∂ ||2∂y _ dv
Fdia z=χdia2μ0V((∂ ||2∂z _ dv
さらに、オストログラードスキーの発散法則[ 30 ]に従って、 xyz方向の反磁性力成分を単純化することができます。Fdia x Fdia y Fdia z反磁性材料の表面積単位であるdsの場合

Fdia x =χdiaμ0s|2nバツds
Fdia y =χdiaμ0s|2nyds
Fdia z =χdiaμ0s|2nzds

どこnバツnynzは、それぞれxyz方向の反磁性材料の表面法線ベクトル成分です。熱分解黒鉛とキャリア磁石の間の反磁性力は、式(11)〜(13)から求めることができます。方程式セット(5)、(11)–(13)で与えられる磁力を決定した後、動的モデルは(14)–(16)で表すことができます。

バツ¨=12mrcdρfAバツvバツ|vバツ+((Fx+Fgx)。mr
y¨=12mrcdρfAyvy|vy+((Fy+Fgy)。mr
z¨=12mrcdρfAzvz|vz+Vrgmr((ρrρf − g+((Fz+Fgz)。mr
さらに、マイクロUFOに作用する磁力の合計を単一の式にまとめて、式(17)の正味の力として単純化することができます。

Fネット=Fm+Fg
シミュレーションと実験の両方の研究で使用されるマイクロUFOとその環境のパラメーターを、表2に示します(ロボットの質量、断面積、および体積は、Solidworks 3D(バージョン2015、DassaultSystèmes、Vélizy-Villacoublay)によって取得されます。 、フランス))。
表2. マイクロアンテザードフローティングオブジェクト(Micro-UFO)のプロパティと非磁力。

2.3。FEM解析

表2の値によると、理論的には抗力と磁力は計算できません。マイクロUFOの形状が複雑なため、計算が必要な統合プロセスでは収束できない場合があります。の決定のための理論的定式化にもそれ以上の単純化はありませんcdFネット値。マイクロUFOに作用する各力は分析的に計算できないため、数値的な方法を利用してプロセス負荷を減らす必要があります。このため、磁力計算用のCOMSOL®磁場無電流(MFNC)モジュールと抗力計算用のCOMSOL®流体構造インターフェース(FIS)モジュールを適用して、マイクロUFOの表面にかかる応力と力を調べます。 。マイクロUFOは、4つの半月形のポケットを備えた完全な円のデザインを持っています。数値流体力学(CFD)モデルの全体像、材料の設定、およびそれらの寸法を図3に示します。
図3. マイクロUFOに対する磁場の影響と使用された材料の測定値が示されています。リフター磁石で予想されるように、コーナー領域の極線の極性のために、磁場はより高い[T](赤色)で見られます。マイクロUFOでも同じ状況が拡大画像で見られます。また、磁石はNSNSに配置されているため、線がz軸方向(側面図)になっていることがわかります。使用するコンピューター:Intel Xeon E4820 * 4プロセッサー(32コア)、128GBRAM。
の計算cdが必要ですFd最初に決定する必要があります。したがって、計算流体力学(CFD)をに適用する必要がありますFd密閉された流体環境で動くマイクロUFOの計算。より正確な抗力係数を計算するには、パラメトリック解析が必要です。分析はCOMSOL®のFISモジュールで行われまし。分析の結果、cdz軸上のマイクロUFOの重力および流体力学的効果を含む外部表面応力に応じて、計算が完了しました。分析では、cd計算は、流体チャネルのz軸に浮上したマイクロUFOとx軸の移動メッシュの2つの結果を比較することによって実行されました。
の変化FD図4に示されている分析から得られたマイクロUFOの速度に関して、図5に示されています。[-2 2] mm / sで移動するマイクロUFOの正と負の式は、移動の方向を表します。
 4.5mm/sの速度での表面応力プロット。FDは、マイクロUFOがz軸上を移動するときに発生する外部表面応力を積分することによって計算されます。マイクロUFOの速度値は0〜7 mm / sの範囲であり、上の凡例で表されます。マイクロUFOの等高線によると、下の凡例はマイクロUFOの表面応力を表しています。図3で説明したように、SU-8とスタビライザー磁石の間のコーナーポイントと交点でより集中的に見ることができます。。その理由は、su-8とキャリア磁石の硬度の交点の異なる特性が応力の均一な分布に影響を与えるためです。そのため、su-8磁石の交点にはより多くの応力がかかります。さらに、マイクロUFOのコーナー領域にもさらにストレスがかかります。これは、コーナー領域の鋭さが原因で流量が多いためです。
図5. マイクロUFOの速度に応じた放物線状の抗力特性を示します。抗力の変化は、マイクロロボットの運動速度である[-2、2] mm/sの範囲では小さくなります。このため、指定した間隔でカーブフィッティングを行うことにより、一次方程式でシステムを表現することができます。として提案された方程式の場合FdkVr、一定の係数が7.075 ×10− 9 kg /s2。マイクロロボットの対称構造により、力の計算はx軸についてのみ表示されることが好ましい。
現在、計算するのは磁力と反磁性だけです。このため、抗力計算後の2番目のステップとして、正味の磁力、Fネット、計算されます。Fネット熱分解グラファイトからのリフターマグネットの浮上高さによって異なります。マイクロUFOに作用する力がゼロに等しいときのマイクロUFOと熱分解グラファイトの間の距離は、浮揚の高さを表します。浮揚距離と正味磁力の解析結果を図6に示します。したがって、浮上特性に対するリフター磁石の位置効果を図7に示します。実験装置の分析は、より正確な結果を得るために、COMSOL®直接ソルバー法を使用して解決されました
図6.3 つの軸のそれぞれのマイクロUFOに作用する正味の磁力特性と浮上距離。x軸とy軸の力は、 z軸で生成された力の値に応じて1/103の比率あることが示されています。ただし、マイクロUFOのx軸とy軸に作用する力が40〜50 nNと小さい場合、発生する運動はxyの力が抗力よりも大きいことが原因である可能性があります(図5)。
図7. 「リフターマグネット」と「熱分解グラファイト」の間の距離に応じてマイクロUFOに加えられる力の影響を示しています。したがって、距離が増加すると、z軸にかかる力の合計は指数関数的に減少します。リフター磁石の距離が60mm、31.02 µmの場合の最小浮上点。最大浮上点は54mmで、329.1 µmが計算されます。

2.4。浮揚特性の結果のFEM解析

解析結果は、マクスウェル応力テンソルとグローバルマトリックス評価法の両方を使用して計算されており、結果は同じであることがわかります。リフター磁石はマイクロUFOから遠く離れているため、磁力線は対称的に発生する可能性があります。リフター磁石の有効長は物理的な長さよりもエアギャップにほぼ等しい量だけ大きいため、x軸とy軸で発生する力はz軸よりも弱くなります。z軸での浮上中、生成される正味の磁力はマイクロメートルのオーダーですが、x軸とy軸では、ナノオーダーで落ちる力は約1/です。103図6は、位相差が0.1 mmで、熱分解グラファイト-リフター磁石の距離が約54mmの場合に計算された正味の磁力値を示しています。
正味の磁力に加えて、抗力、浮力、重力が同時にマイクロUFOに作用しています。したがって、それらは次のように合計できます。FT(総力)、式(18)に示すように。

FT=FネットzFz+FzFz
加えて、FD14.15 nN マイクロUFO速度が約2mm/sのときに計算されます。だから、必要な磁力Fネットz浮揚の場合は15.967μNと計算されます。図6に示されている対応する力の値は、表面グラフにマークされているように示されています。その結果、分析によると、ロボットは浮上高333.8μmで安定点から分離されます。さらに、浮揚高さ100〜300 µmで直線的な傾斜を持つ平坦なプロファイルがあります。当該地域の外側の地域は、不安定地域と呼ばれることがあります。この領域内で、マイクロUFOは安定して動作することができます。z軸で得られた総力は、図7の表面プロットとして示されています。
熱分解グラファイトに対する最大浮上高さを図7に示します。これによると、「リフターマグネット」と「熱分解グラファイト」の間のz軸距離が54mmを超えると、マイクロUFOは不安定になり、329.1μmの高さでサスペンションから外れます。その理由は、必要な磁力がFネットz、15.967μNと計算されますが、54mm以降は得られません。

3.材料と方法

3.1。永久磁石表面コーティング

マイクロUFOのターゲットアプリケーション領域のほとんどは生物医学的アプリケーションであるため、マイクロUFOの表面は生物医学的アプリケーションに便利な材料であるポリドーパミン(PDA)でコーティングされています[ 31]。したがって、100mgのドーパミン粉末(Merck&Company、Inc.、Kenilworth、NJ、USA)を50mLの精製水に加えた後、Tris粉末(100mg)を調製した混合物に溶解した。コーティングの開始から、溶液の色は徐々に暗くなります。コーティングの最後に、PDAでコーティングされた磁石は、別の磁石を使用して溶液から分離されます。磁石のコーティング後、フーリエ変換赤外(FTIR)測定は、反射用のダイヤモンド結晶を含むPerkin Elmer Spectrum 100(PerkinElmer、Inc.、Waltham、MA、USA)によって適用されました。コーティングされた磁石をアクセサリに配置した後、スペクトルのピークが1500〜1650 cm -1および3200〜3600cm  1の波長で測定されました。; これらのピークは、構造内のヒドロキシル基の原子振動とN–H振動を示しています(図8)。コーティング層の存在は、図7で観察されたFTIRスペクトルによって確認されます。これは、ロボットの体内で使用されている永久磁石が、生物医学的用途向けにPDAで正常にコーティングされていることを示しています。
図8. ポリドーパミン(PDA)でコーティングされた磁石のフーリエ変換赤外(FTIR)スペクトル。1500〜1650 cm -1の波長間のピークは、N–H振動を示し、3200〜3600 cm -1の波長間のピーク、構造内のヒドロキシル基を示します。これは、磁石表面のコーティングが成功したことを証明しています。

3.2。マイクロUFO製造

マイクロUFOの製造ステップを図9に示します。AZ 1505、ポジ型フォトレジストは、最初に犠牲層として基板表面にコーティングされます(MicroChemicals GmbH、ウルム、ドイツ)。その後、ホットプレート(SUEX 200、DJ MicroLaminates、Inc.、米国マサチューセッツ州サドベリー)上で90°Cで圧延することにより、200ミクロンの厚さのネガティブ接着フィルムを犠牲層にラミネートしました。フィルムへの露光プロセスが適用され、パターン現像プロセスによって最終的なポリマーマイクロUFOボディが得られました。最後のステップとして、 1mm×0.25mm(直径厚)の寸法のネオジム(Nd 2 Fe 14 B)円形永久磁石(N-52グレード)をPDAでコーティングします。次に、PDAでコーティングされた生体適合性永久磁石がマイクロUFO本体に組み立てられました。
図9. マイクロUFOの製造プロセス。(A)犠牲層コーティング; (B)犠牲層へのSUEXラミネーション。(C)UV曝露; (D)開発中; (E)ポリドーパミン(PDA)でコーティングされた永久磁石の組み立て。

4.実験のセットアップとテスト結果

4.1。実験のセットアップ

マイクロUFOの浮上および運動特性評価実験が実行される実験セットアップ全体は、すでに図2に示されています。マイクロUFOは、z軸に沿ったミクロンのオーダーのリフター磁石の動きによって浮上します。システム内で使用される磁石と特性に応じて、浮上特性を示します。リング状のリフターマグネットを使用する理由は、レーザー測定に必要な構造にくぼみがあるためです。リング状の構造(直径20mm)の中央に隙間があるため、レーザーは垂直位置でマイクロUFOと位置合わせされます。コンピューターインターフェースで制御したPIステージは、 z上で50μm移動しました-軸、最初の浮上が発生したときに10μmのステップが続きます。マイクロUFOが浮上状態にあるとき、約6mmの運動範囲でのリフター磁石の力の振る舞いが観察されます。異なる浮上高さとマイクロUFO位置の間の距離に関して行われた測定値を図10に示します。
図10. 実験結果は、「リフターマグネット」と「熱分解グラファイト(PG)」の間の距離に応じて浮揚高さが異なるマイクロUFOを示しています。実験は、各移動ステップでレーザー距離センサーを使用して位置データを取得することによって記録されました。マイクロUFOは、現在のシステムで333.8μmの最大安定化レベルで動作することが示されています。図では、マイクロロボットは、PGに対するリフターマグネットの位置に基づいて、さまざまな浮上高さで示されています。(a)50μm、(b)127μm、(c)173μm、(d)258μm、(e)309μm、(f)323μm。
さらに、図11に示すように、リフター磁石と熱分解グラファイトの間の6 mmの変化も、マイクロUFOの浮上高さに影響します。
図11. 有限要素法(FEM)解析と、リフター磁石の高さに応じて実験的に比較された浮揚高さ。したがって、得られた浮上特性は非常に近いことがわかる。
ラボオンチップアプリケーションでマイクロUFOによって操作されるオブジェクトとそのモーションフィールドを考慮すると、最大333.8μm _と最低30μm _実験結果から得られた浮揚高さは十分である。私たちが開発した反磁性浮上法は、適用するさまざまなシステム構成によって異なる場合があります。提案された操作方法は、このマイクロUFOの設計と駆動磁石の特性を変更して、さまざまな予想に対して特定の浮上間隔を達成することを可能にします。

4.2。正確なポジショニングと位相差の特性評価

マイクロステージに取り付けられたリフターマグネットが空中で動いています。このため、ステージ速度はリフターマグネットの速度と等しく、一定の速度プロファイルを持っています。マイクロUFOは流体の中に置かれ、リフター磁石の速度に達するまでその速度が増加します。この場合、位相差が生じます。リフターマグネットと同じ速度で動きに到達したマイクロUFOは、リフターマグネットの動きが完了すると、常に動き続け、下降することでゼロにリセットされます。対応する位相差を図12Aに、モーションプロファイルを図12 Bに示します。磁力のパラメータ値を使用すると、ほぼ理論的に位相差を計算できます。
図12. マイクロUFOとリフター磁石の位相差は t0開始モーメントは(A)に示されています。一定期間後t1B)、キャリア磁石との速度が等しくなり、この時点以降、最大に達する位相差が減少し始めます。図6および表2、マイクロUFO加速、ar、計算することができます。速度プロファイルと加速度が指定されたこのマイクロUFOとリフター磁石の場合、位相差の差を簡単に表現できます。
未確認飛行物体の動きは、一定の浮上高さでx軸とy軸で観察ます。したがって、コンピューター制御インターフェースは、正弦波の円運動軌道用にコード化されており、図13で必要な変数を調整し、実験的に適用することができます。この図では、マイクロUFOの正弦波で最大7.91 µm、円形で13.48 µm、平均誤差が正弦波で0.75 µm、円形で0.89 µmが2 mm/sの高速で与えられています。軌道が急に曲がり、鋭い動きをすると、最大エラーレベルが増加することが観察されています。
図13. 正弦波および円軌道の軌道が正常に追跡されました。(A)は、正弦波軌道とそれに続く振幅4mmとして与えられた信号入力を示しています。(B)では、半径2mmの円軌道をたどった。
実験的研究と行われた観察の結果として、マイクロUFOは提案されたシステム内で正確に移動して配置する能力を持っています。Micro-UFOは、希望の速度でスムーズな動きを実行し、予想どおり、リフター磁石と一致するポイントで動きを終了しました。このように、反磁性浮揚を伴うマイクロUFOは正確な測位能力を持っていることが証明されました。マイクロUFOは束縛されていない方法で浮上するという事実により、流体によって引き起こされる流体の摩擦抵抗にさらされます。その上、それはそれ自身の質量に由来する慣性を持っています。これらすべての要因のために、マイクロUFOはx-yの運動軌道に従います-リングの大きさに関連して遅延のある軸。つまり、ロボットはずれた方法で動作を開始します(図14)。リフター磁石の中心からのオフセット(遅延)は、「位相差」として定義されます。
図14. マイクロステージ速度の変化に応じて:(a)0.5 mm / s; (b)1 mm / s; (c)1.5 mm / s; (d)2 mm / s、さまざまなリフター磁石速度に対するマイクロUFO遅延が示されています。赤い線は、リフターマグネットの中心から送信されるレーザーに属しています。
位相差は、コンピューターインターフェースによって制御されるパラメーターであり、マイクロステージ上で移動するリング状のリフター磁石の速度に依存します。進行速度が上がると、実験の結果、位相差が大きくなります。位相差が移動しているという事実は、正確な速度と位置の制御を妨げる状況を引き起こしません。マイクロUFOは、 x軸とy軸のリフター磁石と同じ軌道をたどります。動きが終わった後、マイクロUFOはリフター磁石と同心状態でその動きを終了します。マイクロステージ速度による遅延の量は実験的に決定され、図15に示されています。
図15. 約1.4mm/ sの高速では、位相差は指数関数的に増加する傾向によって特徴付けられ、低速では、予想どおり、線形化された位相差の特性が示されます。0.5mm / sの低速でも同じ線形変化が続く可能性が高いため、位相差が150μmを下回ることは明らかです。これは、特にラボオンチップアプリケーションで必要となるナノメートル範囲の速度要件での位相差を無視することにより、遅延のない位置決めを実行できることを示しています。

4.3。頭を曲げる反応

結果として生じる位相差は、マイクロUFOに作用する結果として生じる磁力のベクトル方向の変化を引き起こします。実験研究で観察した結果、位相差が発生した場合、マイクロUFOが移動方向に頭を傾ける動作をしていることもわかりました(図16)。
図16. ヘッドチルト反応の原因は、マイクロUFOに作用するベクトル場の力の方向変化を一時停止することです。ヘッドチルト角は、位相差に比例するパラメータです。位相差の増加は、ヘッドチルト角の増加も引き起こします。図からわかるように、実施された実験的研究では、7°のヘッドチルト角が表示されています。マイクロロボットの段階的な傾斜の増加は、(a)から(f)までの図で見ることができます。

5.議論と結論

5.1。全般的

私たちがチームで設計したこのシステムでは、他の研究とは異なり、反磁性浮揚によって吊り下げられた革新的なマイクロUFO作業メカニズムを提供します。私たちが設計したシステムでは、マイクロUFOは、特定の高さで吊り下げられた後、リフター磁石を介して500nmでの線形ステージの最大可動域を正常に追跡することができました。より高いモーション感度を備えたナノポジショナーを使用することで、より高い解像度の位置機能を正常に実現できることは明らかです。永久磁石の動きを提供するマイクロUFOとは異なる、設計されたマイクロUFOのもう1つの革新的な機能は、生物医学的用途により適した設計を備えていることです。PDAでコーティングされたマイクロUFOには、汚染を防ぐ機能もあります。

5.2。z軸での浮上

マイクロUFOのマイクロ流体チャネル内のx – yおよびz軸の動きを制御することが可能です。COMSOLの有限要素解析により、マイクロUFOの浮揚高さの限界が正常に決定され、実験結果と比較されました。磁気分析は、マイクロUFOが、 zの表面力グラフによると、90〜280μmの範囲で線形の表面挙動を示したことを示しました。-軸方向。実験的に、現在のマイクロUFO浮揚特性は、0から30ミクロン、および290から333.8ミクロンの範囲で不安定な構造を有し、システムの安定した動作範囲は、30から290ミクロンの範囲であると決定された。したがって、実験結果と比較した場合、分析結果は実験範囲内であることがわかった。得られた解析結果をシステムで使用すれば、安全で線形な挙動範囲を研究できることが証明されています。

5.3。抗力-リフターマグネット効果

リフター磁石と熱分解グラファイトの間の距離、および浮上範囲は数値で計算されます。実験結果と比較すると、54〜58mmの作業範囲が現在の実験設定で一般的であることが示されています。マイクロUFOはこの範囲を超えて制御することができますが、線形ゾーンがより良い動作範囲であることが示されています。実験結果に示されているように、数値解析結果は、決定された範囲のマイクロUFOがより安定した特性を持っていることを示しました。抗力分析の結果は、水の粘性効果がマイクロUFOよりもそれほど高くないことを示しています。抗力の最大値は、ロボットを浮揚させるのに必要な力の約5%であると計算されます。マイクロステージの動作速度範囲が±2(mm / s)に設定されている場合、抗力は0.75%未満と推定されます。したがって、抗力は無視でき、抗力効果を無視することでシステムを線形化できると言えます。将来の研究のために、線形制御技術をこのアプリケーションで利用できる可能性があります。

5.4。センターアライメント

正確な位置制御は、実験データの方向でマイクロUFOのx軸とy軸にも提供されます。マイクロUFOの機動性は、さまざまなシナリオや作業領域で遭遇する可能性のある運動軌道でテストされています。マイクロUFOは、線形運動に加えて、正弦波軌道と円軌道をうまく追跡しました。COMSOL分析でわかるように、リフターキャリア磁石の中心間で0.1 mmの位相差が発生すると、x軸とy軸で発生する力はz軸の力の約1/103であると計算されます。したがって、支配的なz軸力はx-およびy軸は劇的に力を加え、マイクロUFOの運動中に浮揚高さは変化しません。さらに、安定した弾道追跡を提供するリフターマグネットポールで常に集中化されています。

5.5。位相差

電動マイクロステージモーショ​​ンの助けを借りた浮上特性によると、動作中の位相差は、リアルタイムの位置制御を強制する要因と見なされます。一方、多くの生物医学的用途では、ナノメートルの速度が使用されています。この場合、我々の実験的研究の結果、位相差は無視できることがわかった。位相差に関する解析と実験結果によると、ロボットにかかるトルクと力の値は影響を受けませんでした。マイクロステージは最高速度2mm/sで動いています。この場合、0.6 mmのオフセットが計算され、図15に示されています。。計算された位相差は、リフターの磁石のサイズと比較して非常に小さい(1/66)ことがわかります。したがって、生成される磁力とトルクに影響がないことが観察されます。さらに、位相差が大きい場合、高速レベルで観察されるヘッド傾斜反応も同様に、アプリケーションの動作速度要件内で無視できることが観察されます。ただし、特に低ランナップ作業条件では、ヘッドチルト反応の表面境界に毛細管損傷を与える可能性を見逃すことはできません。この点に関して、将来の研究では、頭の傾きの反応を防ぐために、閉ループ制御ベースの研究が実施される予定です。

謝辞

この作品は、助成金113E584の下でトルコ科学技術研究会議(TUBITAK)によってサポートされていました。

著者の貢献

プロジェクト全体を通して、Huseyin Uvetは、プロジェクトの操作技術、実験、調整の開発を担当しました。Ali Anil Demircaliは実験を支援し、COMSOL分析と数学的分析を担当しました。Yusuf Kahramanは、マイクロロボット製造のすべての製造プロセスを完了しました。Rahmetullah Varolは、モーションコントロールアルゴリズムとプログラムインターフェイスを開発しました。TuncKoseとKadirErkanは、磁気原理の開発を担当しました。

利害の対立

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