НАНОСТРУКТУРНОЕ ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАНИПУЛИРОВАНИЯ МИКРООБЪЕКТАМИ, ИЗГОТОВЛЕННЫМИ ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
NANOSTRUCTURED GRIPPING DEVICE FOR MANIPULATING MICROSCOPIC OBJECTS MADE FROM ELECTROCONDUCTIVE MATERIALS

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, МПК. B25J 15/06, B25J 7/00, опубл. 20.08.2003, б. №23].
Недостатком данного устройства является необходимость использования источника избыточного давления, что неоправданно усложняет всю конструкцию.
Известен также схват микроманипулятора, содержащий основу охвата, кисть охвата, упругодеформируемые зажимные пальцы, привод, выполненный в виде линейного электромагнитного двигателя, содержащего якорь из ферромагнитного материала и единственную систему обмоток электромагнита, тягу, выполненную в виде выдвижного звена с трубчатым концом, причем якорь линейного электродвигателя жестко соединяет основу схвата с кистью, к которой жестко закреплены зажимные пальцы, связанные между собой возвратной пружиной, а обмотка электромагнита установлена в выдвижном звене, расположенном коаксиально с якорем и кистью схвата [патент РФ №2259915, кл. B25J 7/00, опубл. 10.09.2005, б. №25].
Из основных недостатков данного устройства можно отметить конструктивную сложность, а также высокую вероятность электромагнитных наводок от электромагнитного двигателя на объекты микросреды.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является наноструктурное захватное устройство микроманипулятора, содержащее основание, крепежное приспособление, рабочую поверхность захватного устройства, выполненную из наноструктурного материала, в основании равномерно установлены в сеточном порядке пьезоэлементы [патент РФ №2331505, кл. B25J 7/00, B25J 15/00, B82B 1/00, опубл. 20.08.2008, б. №23].
Существенным недостатком прототипа является конструктивная сложность и относительная сложность реализации операций выпускания микрообъектов. Кроме того, прототип обеспечивает возможность эффективной работы только с плоскими микрообъектами.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции, а также расширение функциональных возможностей, связанное с более эффективным захватом и удержанием микрообъектов с выпуклыми и плоскими поверхностями.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в наноструктурном захватном устройстве, содержащем основание, крепежное приспособление, рабочую поверхность из наноструктурного материала, в отличие от прототипа, основание выполнено из электропроводникового материала и изолировано от рабочей поверхности диэлектриком.
Наноструктурное захватное устройство для манипулирования микрообъектами, изготовленными из электропроводниковых материалов, может быть выполнено с рабочей поверхностью в форме вогнутой сферической поверхности.
На фиг.1 представлена конструкция наноструктурного захватного устройства (с рабочей поверхностью в форме вогнутой сферической поверхности); на фиг.2 - захват микрообъекта; на фиг.3 - выпускание микрообъекта.
Наноструктурное захватное устройство для манипулирования микрообъектами, изготовленными из электропроводниковых материалов микроманипулятора (фиг.1), содержит основание 1 из электропроводникового материала, крепежное приспособление 2, рабочую поверхность 3 захватного устройства из наноструктурного материала, слой диэлектрика 4.
Наноструктурное захватное устройство для манипулирования микрообъектами, изготовленными из электропроводниковых материалов, работает следующим образом.
В основу принципа действия устройства при реализации операций захвата и удержания микрообъектов заложены межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса (см. подробное описание теории в патенте РФ №2331505, кл. В25J 7/00, B25J 15/00, В82В 1/00, опубл. 20.08.2008, б. №23). При изготовлении поверхности рабочего органа для достижения максимальной гладкости и соответственно наибольших величин сил Ван-дер-Ваальса в заявляемом изобретении предлагается использование наноструктурных материалов. Важным преимуществом использования наноструктурных материалов по сравнению с их крупнокристаллическими аналогами является очень малый размер зерен (0,1 мкм и менее). Это позволит значительно снизить шероховатость, увеличить на несколько порядков силы Ван-дер-Ваальса, а также обеспечит более предсказуемый характер изменения эффективной силы удержания.
Для захвата и последующего удержания микрообъекта с помощью заявляемого изобретения необходимо обеспечить контакт рабочей поверхности 3 захватного устройства с поверхностью микрообъекта (фиг.2). В момент контакта микрообъект налипает на рабочую поверхность 3 захватного устройства и удерживается на ней под действием сил Ван-дер-Ваальса. Для нейтрализации остаточных зарядов основание 1 захватного устройства заземляется.
Для более эффективного удержания микрообъектов с выпуклыми формами рабочая поверхность захватного устройства изготавливается в форме вогнутой сферической поверхности. При работе с микрообъектами, имеющими плоские поверхности, рабочая поверхность захватного устройства также выполняется плоской.
Для реализации операции выпускания используются силы электростатики. Предполагается, что микрообъекты изготовлены из электропроводниковых материалов. После переноса микрообъекта к целевой точке и выполнения некоторой сборочной операции по сопряжению микрообъекта с некоторой деталью (фиг.3) к детали подается положительный электрический потенциал. Одновременно положительный электрический потенциал подается на основание захватного устройства. Слой диэлектрика 4 не позволяет потенциалам микрообъекта и основания выравниваться, и между ними возникает электростатическое взаимодействие. В момент времени, когда величина электростатических сил отталкивания микрообъекта и основания захватного устройства превышает значение эффективных сил удержания (сил Ван-дер-Ваальса), микрообъект «отлипает» от рабочей поверхности захватного устройства и сохраняет свое положение в целевой точке.
Следует отметить, что заявляемое изобретение может быть использовано особенно эффективно при работе с микрообъектами, которые полностью или частично (поверхность) изготавливаются из наноструктурных металлических 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 имеет простую конструкцию, в захватном устройстве более просто реализованы операции выпускания микрообъектов, а также расширены функциональные возможности по более эффективному захвату и удержанию микрообъектов с выпуклыми поверхностями.