Патент на изобретение №2331505
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) НАНОСТРУКТУРНОЕ ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО МИКРОМАНИПУЛЯТОРА
(57) Реферат:
Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в качестве рабочего органа микроманипулятора. Захватное устройство содержит основание, крепежное приспособление, рабочую поверхность захватного устройства, выполненную из наноструктурного материала. В основании равномерно установлены в сеточном порядке пьезоэлементы. Изобретение позволит расширить функциональные возможности, а также нейтрализовать вредные составляющие адгезии, обусловленные силами электростатики. 4 ил.
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, кл. В25J 15/06, B25J 7/00, 2003]. Недостатком данного устройства является необходимость использования источника избыточного давления, что неоправданно усложняет всю конструкцию. Также известен пьезоэлектрический манипулятор, выполненный в виде основы схвата, тяг, скоб и винта. Пьезоэлектрический привод выполнен в виде плоских пьезоэлектрических элементов. Магнитопроводящая шаровая основа соединена с основой схвата. К основе одними концами жестко прикреплены плоские пьезоэлектрические элементы. Со вторыми концами этих элементов соединены посредством скоб с возможностью скольжения вдоль пьезопривода тяги. Тяги прикреплены к основе схвата при помощи винта [патент РФ №2172239, кл. B25J 7/00, 2001]. Основным недостатком устройства является возможность нанесения случайных деформаций или разрушений структуры микрообъектов при захвате. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является капиллярный микрозахват с обратной связью, содержащий основание, крепежное приспособление, причем основание выполнено из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью, на которое с рабочей поверхности в сеточном порядке установлены конденсаторы влаги, выполненные в виде термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, между конденсаторами влаги в решетчатом порядке размещены электропроводниковые пластины, по контуру основания установлены электроды [патент РФ №2261795, кл. B25J 15/00, B25J 7/00, 2005]. Существенным недостатком прототипа является сложная реализация операции выпускания, при которой электрическая цепь образуются пропусканием электрического тока непосредственно через микрообъект, что вызывает различные формы адгезии микрообъекта к основанию захватного устройства, обусловленные силами электростатики. Кроме того, принцип действия захватного устройства позволяет работать только с микрообъектами, изготовленными из электропроводниковых материалов. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей, а также нейтрализация вредных составляющих адгезии, обусловленных силами электростатики. Решение поставленной задачи достигается тем, что в захватном устройстве микроманипулятора, содержащем основание с рабочей поверхностью, крепежное приспособление, в отличие от прототипа рабочая поверхность выполнена из наноструктурного материала, а в основании равномерно установлены в сеточном порядке пьезоэлементы. В предложенном техническом решении используются в качестве эффективных сил удержания микрообъектов силы Ван-дер-Ваальса, возникающие между рабочей поверхностью захватного устройства и поверхностью микрообъекта. Это позволяет расширить функциональные возможности и работать не только с микрообъектами, изготовленными из электропроводниковых материалов. На фиг.1 представлена конструкция наноструктурного захватного устройства микроманипулятора; на фиг.2а – захват микрообъекта; на фиг.2б – выпускание микрообъекта; на фиг.3 – задача расчета силы Ван-дер-Ваальса между сферическим микрообъектом и поверхностью рабочего органа; на фиг.4 – задача расчета силы Ван-дер-Ваальса между сферическим микрообъектом и поверхностью рабочего органа с учетом ее шероховатости. Наноструктурное захватное устройство микроманипулятора (фиг.1) содержит основание 1, крепежное приспособление 2, рабочую поверхность 3 захватного устройства, выполненную из наноструктурного материала, в основании 1 равномерно установлены в сеточном порядке пьезоэлементы 4. Наноструктурное захватное устройство микроманипулятора работает следующим образом. В основу принципа действия устройства заложены межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. Согласно теории Лондона сила взаимодействия между двумя молекулами определяется производной энергии дисперсионного взаимодействия по расстоянию [Ландау Л.Д. Квантовая механика: Нерелятивистская теория. – М.: Наука, 1989. – 767 с.]:
Основываясь на этом, можно определить силу притяжения, возникающую между поверхностями рабочего органа и микрообъектом в целом. Она равна сумме всех парных взаимодействий молекул исследуемых поверхностей:
где H – константа Гамакера, d – диаметр микрообъекта, z – расстояние микрообъект – рабочий орган (фиг.3). На практике силы межмолекулярного взаимодействия будут в значительной степени определяться шероховатостью взаимодействующих поверхностей. К примеру, силу Ван-дер-Ваальса FВдВ(П)
где FВдВ – величина силы Ван-дер-Ваальса для основания рабочего органа с абсолютно гладкой поверхностью. При z=0,4 нм величина силы Ван-дер-Ваальса для абсолютно гладкой поверхности и поверхности с шероховатостью b=0,1 мкм будет отличаться более чем в 16000 раз в пользу абсолютно гладкой поверхности (b=0). Для достижения максимальной гладкости поверхности рабочего органа и соответственно наибольших величин сил Ван-дер-Ваальса в заявляемом изобретении предлагается использование наноструктурных материалов (Ni, Cu и др.) [Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. – М.: Логос, 2000]. Важным преимуществом использования наноструктурных материалов для изготовления поверхности рабочего органа, по сравнению с их крупнокристаллическими аналогами, является очень малый размер зерен (0,1 мкм и менее). Это позволяет значительно снизить шероховатость, увеличить на несколько порядков силы Ван-дер-Ваальса, а также обеспечить более предсказуемый характер изменения эффективной силы удержания. Поскольку в заявляемом изобретении в качестве эффективных сил удержания объектов сборки используются силы Ван-дер-Ваальса, вредные составляющие адгезии, обусловленные силами электростатики, будут минимальны, а эффективность работы захватного устройства не будет зависеть от электропроводящих свойств микрообъектов. Для захвата микрообъекта с помощью заявляемого изобретение необходимо обеспечить контакт рабочей поверхности 3 захватного устройства с поверхностью микрообъекта (фиг.2а). В момент контакта микрообъект налипает на рабочую поверхность 3 захватного устройства и удерживается на ней под действием сил Ван-дер-Ваальса. Для реализации операции выпускания снижается величина суммарной силы парных взаимодействий молекул поверхностей микрообъекта и рабочей поверхности 3 захватного устройства путем подачи электрического напряжения на пьезоэлементы 4, которые работают на растяжение-сжатие (фиг.2б), при растяжении которых происходит увеличение расстояния z микрообъект – рабочий орган. В момент времени, когда величина гравитационных сил превышает значение эффективных сил удержания, микрообъект падает под действием силы тяжести. Следует отметить, что заявляемое изобретение может быть использовано особенно эффективно при работе с микрообъектами, которые полностью или частично (поверхность) изготавливаются из наноструктурных 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 позволяет расширить функциональные возможности путем отказа от привязки принципа действия захватного устройства к электропроводящим свойствам микрообъектов, а также нейтрализовать вредные составляющие адгезии, обусловленные силами электростатики.
Формула изобретения
Захватное устройство микроманипулятора, содержащее основание, рабочую поверхность, крепежное приспособление, отличающееся тем, что рабочая поверхность выполнена из наноструктурного материала, а в основании равномерно в сеточном порядке установлены пьезоэлементы.
РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 06.12.2008
Извещение опубликовано: 10.08.2010 БИ: 22/2010
|
||||||||||||||||||||||||||
,
,
