课题基金 / 基金详情

面向微纳机器人的等离激元瞬态高能汽泡驱动方法研究

批准号:
52075029
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王玉亮
依托单位:
学科分类:
微纳及原子级制造
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王玉亮

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
驱动技术是微纳机器人研究的核心,是实现其可控运动的前提和基础。本项目拟以申请人前期研究中发现的新型瞬态高能蒸汽泡——等离激元初始汽泡为驱动载体,利用其高效的光汽转换效率、超快的生长速度、优异的可调控性实现微纳机器人的高效驱动。为此,本项目拟以固液界面热生成和热传导理论为基础,通过探究激光照射表面后温度场分布规律,结合液汽相变理论和超时间分辨率实验观测,揭示等离激元初始汽泡成核机理,建立其生长动态理论模型。在此基础上,综合运用理论建模、多物理场数值仿真、微粒子测速和超高精度力测量等实验手段,以汽泡驱动力产生机理揭示为前提,以气泡成核过程中光-热-机械能转化机制探究为指导,以低雷诺数下机器人流固耦合动力学建模为支撑,以汽泡尺寸、生成频率和激光作用点位置控制为调控手段,实现快速、高效、灵活的微纳机器人运动控制,建立一种基于等离激元初始汽泡的微纳机器人驱动技术,对现有技术进行有效补充。
英文摘要
Investigation of the driving methods for micro-nano robots is important to achieve the controllable motion of robots. In this project, we intend to apply a recently observed explosive plasmonic vapor bubbles to achieve high-speed driving of the micro-nano robots. The plasmonic vapor bubbles, which are discovered in our previous study, have a high light-vapor conversion efficiency and ultra-fast growth rate, and are easy to be controlled. Here we will first study the spatial and temporal evolution of water temperature under laser irradiation in the vicinity of solid liquid interfaces. Furthermore, the nucleation mechanism of the plasmonic bubbles will be revealed and a theoretical model of the bubble growth dynamics will be established. With this, we will further investigate the mechanism of bubble induced propulsion. This can be achieved by theoretical modeling, numerical simulation of multi-physical field, PIV measurement and high precision force measurement. We will also investigate the mechanism of energy conversion, from optical to thermal, and from thermal to kinetic. After that, a fluid-solid coupling kinetic model will be built up to describe the motion characteristics of vapor bubble driven robots. With the model, the motion control of robots will be experimentally implemented by tuning the generation of vapor bubbles, regarding size, nucleation frequency, and laser irradiation position. This driving method is flexible with very high propulsion efficiency, which is believed to be a good option to the current robot driving techniques.
项目的背景.微纳机器人是能够将光能、热能、电磁和化学能等不同类型能量转化为动能,实现其自身可控运动的微纳米尺度功能器件。微纳机器人具有体积小、质量轻、推重比大和运动灵活可控等特点,能够适应不同工作环境,以及以集群方式协同作业。气泡具有制备简单、调控方便、轻质高效等诸多优点,成为一种重要的微纳机器人驱动载体。.主要研究内容.基于上述研究内容,本项目的主要研究进展在于深入揭示了作为主要驱动源的蒸汽泡的成核机理以及实现对汽泡的生长动态特性的精确调控,掌握了制备不同形貌微纳机器人的方法,并且对图像处理理论以及方法有了更加深入的认识。.重要结果.本项目通过高温热退火的方式,制备了可用于生成等离激元初始汽泡的高效光热转换的金粒子阵列结构,为等离激元汽泡生成的基底制备提供了材料支持,降低了本项目的研发费用;.本项目深入研究了不平衡的气泡的流体动力学,从实验和理论两方面揭示了等离激元气泡在水和乙醇二元液体中的成核和早期演化机理。解释了气泡周期性弹跳现象是由于溶质马兰戈尼力和热马拉戈尼力之间的竞争关系所致。完善了等离激元气泡运动过程的动力学机理体系,丰富了等离激元瞬态高能汽泡驱动微纳机器人的驱动形式;.本项目提出了一种基于离焦图像恢复的方法,以提高离焦状态下的图像位置复原。建立与离焦位置对应的点扩散函数并将其作为去卷积核,结合改进的非线性滤波算法,实现高质量的粒子图像恢复。实现横向和轴向测量分辨率分别提升了38%和31%。具有重要的微/纳尺度空间定位应用价值。.关键数据.等离激元初始汽泡作为驱动源,提出了周期性循环复现的等离激元初始气泡,其成核频率从0.8kHz到200kHz;.采用蒸汽泡驱动球形金属微纳机器人,机器人的平均运动速度达到3m/s的量级;.在微纳机器人位姿定位精度的算法提升上,提供了新的图像离焦处理方法,测量横纵向分辨率分别提升了38%和31%。.科学意义.在生物医学、环境保护、微纳流体控制和微纳制造等不同领域均有广泛应用,具有极高研究和应用价值。
基于固液界面纳米气泡的表面纳米结构成形机理研究
  • 批准号:
    51775028
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    王玉亮
  • 依托单位:
一种基于视觉传感的新型细胞生物力学测量系统研究
  • 批准号:
    51305019
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    王玉亮
  • 依托单位:
国内基金
海外基金