Μέθοδοι χειρισμού μικροαντικειμένων για διαχωρισμό και συναρμολόγηση
Authors: Κρητικού Γεωργία 
Published: September 2021

Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη μεθόδων για τη μαζική σύνθεση και παραγωγή Μικροηλεκτρομηχανικών Συστημάτων (MEMS) είναι ένα ερευνητικό πεδίο με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Κατά τη διαδικασία της παραγωγής των MEMS χρησιμοποιούνται ειδικά σχεδιασμένα μίκρο - εργαλεία όπως ρομποτικές μίκρο – αρπάγες και μίκρο – λαβίδες με τα οποία πραγματοποιείται χειρισμός σειριακά για το διαχωρισμό τους και την συναρμολόγηση τους. Από τη σχετική βιβλιογραφία προκύπτει ότι κατά το σειριακό χειρισμό με ρομποτικά μίκρο – εργαλεία έχουμε μεγάλους χρόνους και υψηλά κόστη παραγωγής καθώς και την πρόκληση μικροφθορών στα επιμέρους στοιχεία των MEMS. Εφαρμογές μίκρο – χειρισμού με πεδία δυνάμεων τα οποία αναπτύσσονται σε ειδικά διαμορφωμένες συσκευές έχουν προταθεί με στόχο τον περιορισμό αυτών των προβλημάτων. Προς το παρόν οι μέθοδοι αποκλειστικά με πεδία δυνάμεων δεν έχουν ενταχθεί στη γραμμή παραγωγής των μίκρο – εργοστασίων εξαιτίας της περιορισμένης αυτονομίας και ευελιξίας των περισσότερων συσκευών και των διατάξεων με τα οποία αναπτύσσονται. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής προτείνεται μια αυτόνομη συσκευή χειρισμού μικροαντικειμένων κατασκευασμένων από πλαστικά/μονωτικά υλικά και αγώγιμα ηλεκτρόδια στην κάτω επιφάνεια τους. Πρόκειται για την «Έξυπνη Πλατφόρμα» αγώγιμων ηλεκτροδίων, η κατάλληλη ενεργοποίηση των οποίων προκαλεί την κίνηση των μικροαντικειμένων εξαιτίας των πεδίων ηλεκτροστατικών δυνάμεων που εφαρμόζονται στα μικροαντικείμενα. Η θέση και ο προσανατολισμός των μικροαντικειμένων στην πλατφόρμα ανιχνεύεται με τη βοήθεια αισθητήρων όρασης οι οποίοι είναι κατάλληλα τοποθετημένοι στη συσκευή. Αρχικά παρουσιάζεται η βιβλιογραφία, που σχετίζεται με το ερευνητικό πεδίο του χειρισμού μικροαντικειμένων, ώστε να αναδείχνει το ερευνητικό κενό και η συμβολή της διατριβής. Εν συνεχεία περιγράφεται η «Έξυπνη Πλατφόρμα», η δομή της διάταξης τα τεχνικά και ηλεκτρικά της χαρακτηριστικά. Περιγράφονται οι φυσικές διεργασίες στις οποίες στηρίζεται η λειτουργία της πλατφόρμας και υπολογίζονται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ της πλατφόρμας και των μικροαντικειμένων. Προτείνονται μέθοδοι διάταξης των ηλεκτροδίων στα μικροαντικείμενα. Ορίζονται οι συνθήκες φόρτισης των ηλεκτροδίων της πλατφόρμας για την επιτυχή κίνηση των μικροαντικειμένων και διατυπώνονται ημι-εμπειρικές προσαρμοσμένες συναρτήσεις για τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης. Ένα σημαντικό ζήτημα που τίθεται για τις μεθόδους χειρισμού των μικροαντικειμένων με πεδία δυνάμεων είναι η περιορισμένη ευελιξία και αυτονομία, που χαρακτηρίζει τις συσκευές που τις υποστηρίζουν. Τα μικροαντικείμενα μεταφέρονται στην «Έξυπνη Πλατφόρμα» μέσω γραμμών μεταφοράς και τοποθετούνται σε τυχαίες διαμορφώσεις – μη κεντραρισμένα σε ηλεκτρόδιο της πλατφόρμας/ μη ευθυγραμμισμένα με τον προσανατολισμό του Κεντρικού Συστήματος Αναφοράς – . Η εύρεση όλων των δυνατών ενεργοποιήσεων των ηλεκτροδίων της πλατφόρμας για την κίνηση ενός μικροαντικειμένου προς μια νέα Θέση Ισορροπίας οποιαδήποτε κι αν είναι η αρχική του διαμόρφωση υλοποιείται με δυο νέους αλγορίθμους. Η αποτελεσματικότητα των αλγορίθμων επιβεβαιώνεται προσομοιώνοντας τις ενεργοποιήσεις, που προκύπτουν από τους αντίστοιχους υπολογισμούς τους. Εν συνεχεία προτείνονται αλγόριθμοι ενεργοποίησης για τη διακριτή κίνηση των μικροαντικειμένων μεταξύ δύο ηλεκτροδίων της «Έξυπνης Πλατφόρμας» (τα οποία αποτελούν ταυτόχρονα θέσης ισορροπίας των μικροαντικειμένων), αφότου κεντραριστούν κι ευθυγραμμισθούν στην «Έξυπνη Πλατφόρμα». Ένα στοίχημα για τη Βιομηχανία των MEMS είναι ο παράλληλος χειρισμός πολλαπλών μικροαντικειμένων με στόχο το διαχωρισμό και τη μικροσυναρμολόγηση τους. Τα μικροαντικείμενα μεταφέρονται σε συστάδες στην «Έξυπνη Πλατφόρμα» με γραμμές μεταφοράς και ως είναι λογικό τα περισσότερα τοποθετούνται σε τυχαίες διαμορφώσεις. Προτείνεται μια νέα μέθοδος για το αυτόνομο παράλληλο κεντράρισμα κι ευθυγράμμιση πολλαπλών μικροαντικειμένων προετοιμάζοντας τα για την εφαρμογή των ενεργοποιήσεων αντίστοιχων ενεργοποιήσεων. Εν συνεχεία, προσδιορίζεται ο χώρος στατικών εμποδίων και ο ελεύθερος χώρος διαμορφώσεων των μικροαντικειμένων στην «Έξυπνη Πλατφόρμα». Ο προσδιορισμός των ελεύθερων μονοπατιών για την ταυτόχρονη κίνηση πολλαπλών μικροαντικειμένων στην «Έξυπνη Πλατφόρμα» πραγματοποιείται με έναν προσαρμοσμένο Α* αλγόριθμο. Πρόκειται για ένα συνεργατικό Α* (cooperative A*) αλγόριθμο ο οποίος ψάχνει στον ελεύθερο χώρο καταστάσεων εντοπίζοντας μοναδικά μονοπάτια στο χωροχρόνο για κάθε μικροαντικείμενο λαμβάνοντας υπόψη την προτεραιότητα του. Μια σημαντική συνεισφορά αποτελεί μια νέα συνάρτηση κόστους στους υπολογισμούς της οποίας λαμβάνεται υπόψη η απόσταση μεταξύ γειτονικών μικροαντικειμένων. Η ευρεστική συνάρτηση της συνάρτησης κόστους συνεισφέρει στον εντοπισμό μονοπατιών για την παράλληλη κίνηση πολλαπλών μικροαντικειμένων σε προβλήματα μεγαλύτερης πολυπλοκότητας για το κομμάτι της μικρορομποτικής καθώς και στη βελτιστοποίηση του χρόνου κίνησης καθενός εξ αυτών. Τέλος, οι μέθοδοι ενεργοποιήσεων και οι αλγόριθμοι που προτείνονται για το χειρισμό των μικροαντικειμένων εφαρμόζονται για τον παράλληλο διαχωρισμό και τη συναρμολόγηση τους. Καταρχάς προτείνεται μια νέα μέθοδος για τη συστηματικό διαχωρισμό των μικροαντικειμένων σε περιοχές της «Έξυπνης Πλατφόρμας» με κριτήριο τη γεωμετρία τους. Εν συνεχεία προτείνονται μέθοδοι για τη συναρμολόγηση μεταξύ αντικειμένων ίδιας γεωμετρίας με στόχο η διαδικασία να υλοποιηθεί με τον ελάχιστο αριθμό ενεργοποιήσεων αποφεύγοντας τις συγκρούσεις μεταξύ των μικροαντικειμένων. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι εφαρμόζονται και επαληθεύονται σε μια προσομοιωμένη πλατφόρμα.