嚴(yán)珺嘉， 劉吉曉， 周一笛， 郭士杰，3

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300132；2.河北工業(yè)大學(xué)河北省機(jī)器人感知與人機(jī)融合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300132；3.河北工業(yè)大學(xué)電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300132)

引言

微納操作是研究對(duì)微尺度(1×10-3～1 mm)物體進(jìn)行推拉、提取、搬運(yùn)、放置等操控的技術(shù)。目前最為廣泛的微納操作方法有5種：基于自組裝的微納操作[1]、基于光鑷的微納操作[2-8]、基于介電泳的微納操作[9-13]、基于掃描電子顯微鏡的微納操作[14-20]和基于原子力顯微鏡的微納操作[21-29]?；谧越M裝操作方法主要與化學(xué)或生物之間的相互作用有關(guān)，而非傳統(tǒng)意義上機(jī)器人之間的相互作用，因此這種方法可應(yīng)用領(lǐng)域有限，不適用于微電子器件零部件的組裝；基于掃描電子顯微鏡微納操作與基于原子力顯微鏡的微納操作所需的操作環(huán)境要求高并且操作復(fù)雜，且都是通過(guò)微尺度剛性末端直接與被研究對(duì)象接觸，在操作過(guò)程中有損害被操作對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)；基于光鑷的微納操作和基于介電泳的微納操作都是通過(guò)創(chuàng)造能量梯度對(duì)被操縱對(duì)象進(jìn)行操作，雖然是以非接觸方式操縱物體，與被研究對(duì)象無(wú)剛性接觸，但是兩種能量場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)對(duì)特定的研究對(duì)象造成傷害或變形。

由于微納操作對(duì)象為細(xì)胞、DNA、微電子器件零部件等，操作環(huán)境大多為液體環(huán)境，因此可以通過(guò)在液體環(huán)境下生成氣液界面——?dú)馀?，并利用其進(jìn)行一系列微納操作。對(duì)氣液相互作用的研究大多為微流控芯片[30-33]，在微流控芯片中的流道生成可控氣泡，實(shí)現(xiàn)微閥功能[34]；用微流控芯片中氣泡做氣液反應(yīng)器[35]、流量穩(wěn)流器[36]，或利用流道中氣泡與聲場(chǎng)耦合抓取微粒[37]；氣泡也可以直接被當(dāng)作驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微操平臺(tái)等[38]。

為了在微尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行柔性施力、推拉等一系列微納操作，本研究主要介紹一種應(yīng)用單個(gè)氣泡實(shí)現(xiàn)微尺度柔性執(zhí)行器功能的方法。生成控制單個(gè)微尺度氣泡直接與目標(biāo)對(duì)象接觸并施力，由于氣體的可壓縮性，氣泡施力的同時(shí)被擠壓變形，進(jìn)而通過(guò)氣泡對(duì)目標(biāo)對(duì)象實(shí)現(xiàn)柔性施力、移動(dòng)等微納操作。本研究首先定量分析氣泵生成控制氣泡變化的過(guò)程；然后以一個(gè)微型懸臂梁作為參照物，氣泡作為執(zhí)行器在懸臂梁的末端施力，根據(jù)懸臂梁形變來(lái)估算氣泡的施力值；通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析單個(gè)氣泡作為執(zhí)行時(shí)，氣泡輸出力與氣泡形狀之間的關(guān)系。

1 氣泡生成方法

本研究是通過(guò)毛細(xì)管連接氣泵的方式，在液體環(huán)境下，毛細(xì)管末端生成單個(gè)微尺度氣泡。實(shí)驗(yàn)所用到的氣泡生成與控制的裝置如圖1所示，其主要由兩部分組成：一部分裝置是用于觀測(cè)氣泡的顯微視覺(jué)平臺(tái)，由奧林巴斯顯微鏡系統(tǒng)和一臺(tái)同軸光顯微鏡組成，如圖1a所示同軸光顯微鏡放置在奧林巴斯顯微鏡的側(cè)面，用來(lái)增加觀測(cè)氣泡的視覺(jué)信息；另一部分裝置為用于生成氣泡的毛細(xì)管(圖1b)和氣泵，還有用于調(diào)整毛細(xì)管具體位置的三自由度微操平臺(tái)，如圖1c所示。

圖1 氣泡生成與控制裝置

平臺(tái)搭建好后，先通過(guò)調(diào)節(jié)三自由度微操平臺(tái)，把毛細(xì)管末端調(diào)整到顯微鏡的觀測(cè)范圍內(nèi)，將毛細(xì)管與氣泵連接，調(diào)整氣泵使其輸出壓力不斷增大，記錄輸出壓力值同時(shí)顯微鏡的攝像頭視頻記錄氣泡變化的過(guò)程，如圖2所示。圖2a所示為氣泡隨著壓力不斷變化的過(guò)程；定量分析氣泡隨著壓力變化的過(guò)程，首先對(duì)氣泡的形狀進(jìn)行幾何描述?？梢园言诿?xì)管末端的氣泡視作球體的一部分，即用球缺來(lái)描述，如圖2b所示，變量R表示某一壓力下生成的氣泡的曲率半徑,變量H為相對(duì)應(yīng)氣泡的高度，變量d為生成氣泡的毛細(xì)管的內(nèi)管口直徑；圖2c為氣泡隨內(nèi)壓力增大對(duì)應(yīng)的參數(shù)R和H的變化，隨著氣泡內(nèi)壓力增大，氣泡高度變大，曲率半徑變小，即輸入壓力p1R2。為了描述氣泡三維空間上變化情況，用變量S來(lái)描述某一壓力下氣泡表面積，用變量V描述氣泡表面積所圍成的體積。

圖2 氣泡隨著氣壓增大變化過(guò)程

球缺體積計(jì)算公式：

(1)

式中，V—— 氣泡的體積

H—— 氣泡的高度

R—— 曲率半徑

球缺表面積(不含圓截面)，即氣泡表面積：

S=2πRH

(2)

氣泡隨著壓力的增大而變化，壓力增大到氣泡不再穩(wěn)定即將破裂為止。通過(guò)顯微攝像機(jī)視頻記錄隨壓力增大氣泡變化的過(guò)程，并同時(shí)記錄氣泵輸入壓力值。通過(guò)ImageJ軟件，對(duì)視頻記錄的氣泡進(jìn)行測(cè)量，得到壓力對(duì)應(yīng)生成氣泡的高度H、曲率半徑R的值，再應(yīng)用式(1)、式(2)計(jì)算氣泡的表面積S與體積V。

2 氣泡變化過(guò)程特性分析

實(shí)驗(yàn)用3根末端管口內(nèi)直徑分別為200，280，360 μm 的毛細(xì)管進(jìn)行氣泡生成，在壓力不斷升高的過(guò)程中，3根不同直徑毛細(xì)管生成氣泡的幾何形狀隨壓力的變化情況，如圖3所示。

圖3a為氣泡的曲率半徑與氣泡內(nèi)壓力的定量關(guān)系，氣泡的曲率半徑R隨著氣泡內(nèi)壓力p增大不斷減小；如圖3b所示，隨著壓力p的增大，氣泡的高度H也逐漸增加，且2個(gè)變量之間存在明顯的線性關(guān)系，毛細(xì)管生成氣泡的高度與壓力曲線的斜率不變，說(shuō)明在用小尺寸毛細(xì)管氣壓法生成氣泡時(shí)，通過(guò)控制氣壓值即可平穩(wěn)控制氣泡形狀；如圖3c、圖3d所示，在氣泡生成的前期，隨著內(nèi)壓力p不斷增大，氣泡的體積V和表面積S也在不斷增加壓力與兩者之間為明顯的線性關(guān)系；但在氣泡生成后期，過(guò)大壓力使氣泡不在穩(wěn)定，所以氣泡的體積和表面積在后期會(huì)有突然增加的現(xiàn)象；如圖3e，氣泡的表面積體積比S/V隨著內(nèi)部壓力p增大不斷下降，說(shuō)明隨著壓力增大體積力逐漸作為主導(dǎo)；圖3f為3根管生成的氣泡隨著壓力p增大，氣泡體積V與其表面積S關(guān)系曲線，圖中曲線的斜率即為氣泡表面積體積比，小尺寸毛細(xì)管生成的氣泡表面積體積比更大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在微尺度下，通過(guò)氣泵的氣壓控制，可以精確而平穩(wěn)的用毛細(xì)管生成單個(gè)微尺度氣泡。

圖3 氣泡形狀隨壓力變化情況

3 氣泡執(zhí)行器實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)量氣泡作為執(zhí)行器時(shí)，與實(shí)驗(yàn)對(duì)象相互作用過(guò)程中輸出力的大小，并且研究在這個(gè)過(guò)程中氣泡的形狀和其輸出力之間的關(guān)系，本研究設(shè)計(jì)一項(xiàng)氣泡與懸臂梁的相互作用實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖4a所示，以微尺寸懸臂梁作為參照物，穩(wěn)定存在毛細(xì)管末端的氣泡推壓豎直懸臂梁自由端。在氣泡不斷推進(jìn)懸臂梁自由端過(guò)程中，懸臂梁會(huì)不斷的發(fā)生偏移。根據(jù)懸臂梁純彎曲公式計(jì)算氣泡輸出力F的值：

(3)

式中，E—— 楊氏模量

I—— 懸臂梁的慣性矩

L—— 懸臂梁的長(zhǎng)度

w—— 懸臂梁的位移

實(shí)驗(yàn)所用懸臂梁為一塊長(zhǎng)方形透明膠帶，如圖4b所示其楊氏模量E=0.013×1011Pa，長(zhǎng)5459 μm，寬586 μm，厚度82 μm。懸臂梁事先放置在培養(yǎng)皿內(nèi)，垂直于培養(yǎng)皿底面且其底部被固定。將培養(yǎng)皿注水，水量至少?zèng)]過(guò)懸臂梁自由端。在毛細(xì)管末端生成單個(gè)內(nèi)壓力定值的氣泡，調(diào)整毛細(xì)管末端氣泡到懸臂梁自由端附近。通過(guò)三自由度微操作平臺(tái)逐步調(diào)整毛細(xì)管的位置，使氣泡逐步推向懸臂梁的末端，使懸臂梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，G為毛細(xì)管末端到起始點(diǎn)的距離，毛細(xì)管的位移為ΔG，懸臂的位移為Δw，如圖4a所示。

圖4 氣泡懸臂梁相互作用示意圖與實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)所用毛細(xì)管內(nèi)徑為500 μm，首次生成的氣泡持續(xù)處于壓力為989 Pa狀態(tài)。由于輸入氣壓為定值，氣泡形狀不變且穩(wěn)定存在毛細(xì)管末端(圖4b左)。調(diào)整毛細(xì)管的位置，使氣泡不斷靠近并擠壓懸臂梁的末端使其偏轉(zhuǎn)(圖4b右)，直到氣泡被擠壓到毛細(xì)管內(nèi)。之后將毛細(xì)管退回到初始位置，增大氣泡內(nèi)壓力到1113 Pa，重復(fù)第一次氣泡推懸臂梁的過(guò)程。

圖5為氣泡執(zhí)行器輸出特性。如圖5a所示，氣泡在與懸臂梁相互作用過(guò)程中，由于氣體可壓縮性，氣泡高度H隨著毛細(xì)管的位移ΔG增加而減小，兩者之間存在明顯的線性關(guān)系，也體現(xiàn)出氣泡作為執(zhí)行器所具有的柔性特點(diǎn)，其次，可以看出，同一根毛細(xì)管生成的單個(gè)穩(wěn)定氣泡，氣泡內(nèi)壓力越高，毛細(xì)管初始高度H值更大，氣泡在執(zhí)行力過(guò)程中，氣泡可壓縮的范圍更大，毛細(xì)管的位移ΔG更大；圖5b為氣泡擠壓懸臂過(guò)程中，毛細(xì)管的位移ΔG與氣泡輸出力F的變化曲線，兩者之間呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。氣泡輸出力F隨毛細(xì)管的位移ΔG的變化可視為氣泡作為執(zhí)行器時(shí)，衡量執(zhí)行器靈敏度大小的依據(jù)。由于氣泡輸出力F隨毛細(xì)管的位移ΔG線性增加，所以氣泡內(nèi)壓力越高，氣泡可輸出力的極值越大。壓力為989 Pa時(shí)氣泡的最大輸出力為174.34 μN(yùn)，壓力為1113 Pa時(shí)氣泡的最大輸出力為211.3 μN(yùn)。

圖5 氣泡執(zhí)行器輸出特性

4 結(jié)論

本研究提供了一種通過(guò)單個(gè)微尺度氣泡來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性施力微尺度操作方法——基于單個(gè)氣泡柔性執(zhí)行器。本研究經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論如下：

(1) 毛細(xì)管連接氣泵生成單個(gè)微尺度氣泡，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓可以精確控制氣泡生成及其形狀，所用毛細(xì)管口徑越小，調(diào)節(jié)氣壓對(duì)氣泡生成控制效果越精確；

(2) 毛細(xì)末端生成的單個(gè)穩(wěn)定氣泡作為執(zhí)行器時(shí)，毛細(xì)管的位移與氣泡輸出力之間存在明顯的線性關(guān)系，氣泡輸出力與氣泡高度承線性關(guān)系，同一口徑毛細(xì)管，生成的氣泡的內(nèi)壓強(qiáng)越大，作執(zhí)行器時(shí)，氣泡輸出力最大值越大。