Izzivi nanorobotike

http://www.ro.feri.uni-mb.si

1

Izzivi nanorobotike

Riko Šafarič

in sodelavci iz Laboratorija za kognitivne sisteme v

mehatroniki

E-mail adresses: [email protected]

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko

Univerza vMariboru, Slovenija


2

Vsebina

1. Definicije

2. Uvod

3. Motivacija

4. Predstavitev mikro robota

5. Predstavitev nano robota

6. Mikro prijemalo

7. Zaključek


3

Definicije

• Makro objekti: velikost večja od 1 mm.

• Mikro objekti: velikost med 1μm in 1000μm.

• Nano objekti: velikost med 1 nm to 1000nm.


4

Definicije

• Makro roboti: natančnost pozicioniranja

večja od 100 μm.

• Mikro roboti natančnost pozicioniranja

med 1μm do 100μm.

• Nano roboti: natančnost pozicioniranja

med 1 nm do 1000nm.


5

Definicije

• Makro stroji: narejeni iz makro objektov –

velikost večja od nekaj mm.

• Mikro stroji: narejeni iz mikro in nano objektov

– velikost med 1μm to nekajkrat 1000μm.

• Nano stroji: narejeni iz nano objektov – velikost

med 1 nm to 1000nm.


6

Definicije

• Makro prijemala so sposobna prijeti, premakniti

in aktivno izpustiti makro objekte.

• Mikro prijemala so sposobna prijeti, premakniti

in aktivno izpustiti mikro objekte.

• Nano prijemala so sposobna prijeti, premakniti

in aktivno izpustiti nano objekte.


7

Definicije

človek insekt celica DNK Majhne

molekule


8

Uvod: razumeti velikost

• 1 meter

vir: CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm


9


• 10 cm



10


• 1 cm



11


• 100 μm



12


10 μm



13


• 1 μm



14


• 100 nm



15


• 10 nm



16


• 1 nm



17

Definicije

• Mikro objekti: delec prahu (10μm to 100μm),

kristal soli ali sladkorja (100 μm).

• MEMS


18

Definicije

• Nano objekti: nano cevke (diameter 100nm).

http://www.chfi.unipd.it/home/e.menna/nanobookmark.html


19

Motivacija

• Glavna motivacija je graditi (sestavljati) mikro

stroje. … mikro muha

Objekt mikro turbine


20

Motivacija

• … ali nano stroje …nano motornano planetno gonilo


21

Motivacija

• … še več nano strojev

…

nano prenosniknano reduktor


22

Motivacija

Za gradnjo (sestavljanje) mikro in nano strojev

potrebujemo:

• mikro in nano robote z gibi znotraj nano

preciznosti

• Prijemanje, držanje in aktivno izpuščanje mikro

in nano delcev (objektov).


23

Predstavitev mikro robota

Obstaja več različnih tipov mikro robotov:

• pnevmatski mikro robot,

• Piezzoelectrično gnan mikro robot,

• Naprave z drugimi tipi gonilne sile premikanja

objektov (dielektroforezna sila, mehanično

premikanje s termalnim efektom itd)


24

Predstavitev mikro robota: NPAP

• Programabilna naprava s pnevmatsko aktivno

površino, ki avtomatsko pozicionira male

objekte velikosti (275μm - 1000 μm).

• Naprava je vsebuje zaprtozančno položajno

regulacijo za rigidne (trdne) objekta (VLSI čipi,

MEMS).


25


Skica naprave s pnevmatsko aktivno površino


26


Kompletni sistem naprave s pnevmatsko aktivno površino


27


Bližnji pogled na pnevmatsko površino narejeno iz 100 steklenih cevčic


28


Premikanje objekta v zračnem toku

• Kako deluje?


29


Translacija objekta


30


Translacija objekta na realni aktivni površini


31


Rotacija objekta na pnevmatski aktivni površini


32


Obračanje (prevračanje) objekta na pnevmatski aktivni

površini


33

Predstavitev mikro robota: 2 DOF

manipulator

• Trenutno so mikro tehnologije eno najpogosteje raziskovanih tehničnih

področij.

• Pri tem je mikro manipulacija mikro objektov eden izmed centralnih

zahtev.

• Piezoelektrični aktuatorji so široko uporabljani kot osnovni element

mikro manipulacije.

• Seveda je potencial uporabe piezoelektričnih aktuatorjev za mikro

manipulacijo moten zaradi nelinearne (histerezne) karakteristike

napetost/pomik.

• Zato je potrebno uporabiti napredne regulacijske tehnike, da dosežemo

zadovoljivo natančno pozicioniranje s piezoelektričnim aktuatorjem.

• Regulator z umetno nevronsko mrežo je uporabljen za regulacijo mikro

pozicioniranja.


34


manipulator

Mikro manipulacijski sistem je sestavljen iz:

Napetostni

ojačevalnik

Mikro-manipulator

Osebni računalnikDigitalna kamera z

mikroskopom


35


manipulator

Platforma

Piezzoelektrič

ni aktuator (y-

os)

Micro-mechanism

Piezzoelektri

čni aktuator

(x-os)

Mikro-manipulator je sestavljen iz 4 delov:


36


manipulator

• X in Y (velike črke) prikazujeta

odmik vrha mikro robota;

• x in y (male črke) prikazujeta pomik

piezzoelektričnega aktuatorja;

• preko vzvodov ojača pomik

piezzoelektričnega aktuatorja za

faktor 30;

• zgib ima obremenilno karakteristiko

podobno rotacijski vzmeti z enačbo:

L

L

xKc

L

KcxFM

arctan44

)(


37


manipulator

L

L

xKc

L

KcxFM

arctan44

)( 0


38


manipulator

Histerezni model napetost/odmik:


39


manipulator

Shema regulacijskega principa:


40


manipulator

netJ

J enetJS 1/1)(

m

i

iJijJ Iinwjnet1

)(

netL

Li enetLSU 41/200100)(

n

j

LjlL jJoutwlnet1

)()(

T

rrOUTIN YXII ,

Neural Network Description

2! 2!1…100?


41


manipulator

• Prikazan je stopnični odziv mikro

manipulatorja vzdolž X-osi;

• Začetna vrednost je -25 mikronov,

končna vrednost pa +25 mikronov

• Pogrešek se minimizira v 3 ms;

• Učna konstanta skrite in izhodne plasti

je 0.04;

• Število nevronov v skriti plasti je 16;

Simulacijski rezultati:


42


manipulator

Izboljšana NN regulacijska shema položaja za obe osi:


43


manipulator

MeritevX,Y položaja vrha mikro robota


44


manipulator

Stopnični odziv osi X in Y ob izboljšanem NN regulatorju položaja in ob

PI-reg. položaja na realnem 2 DOF piezoelektričnem aktuatorskem

sistemu (PAS)


45


manipulator

• Rezultati:

- položajna natančnost je +/- 500 nm v X in Y smereh,

- ni prenihaja zaradi histereze,

- sorazmerno počasen odziv, napram simulacijskim rezulatatom,

ker imamo čas tipanja mikroračunalnika, ki izvaja regulacijske

algoritme 5 ms.


46

Predstavitev nano robota: 3 DOF manipulator

X-osY-os

Z1-os

Z2-osZ3-os

Nano robotski

manipulator


47


Nano robotski sistem


48


)]()([)( 211 tutuktx

)]()([)( 212 tutuktz

• Linearni piezo LEGS motorji,

• Obnašajo se kot koračni motor,

• Dolžina koraka 3.9 [nm].


49


• Linearni magnetni

inkrementalni dajalnik,

• resolucija 61 [nm].


50


Ukazno okno nano robotske celice


51


Uporabniško simulacijsko okno za opazovanje

virtualnega modela s haptično napravo


52

Mikro prijemalo – praktični primer


53


• Rezultati:

• Položajna natančnost +/- 61 nm in X, Y in Z

smereh,

• bang-bang položajni regulator,

• položajni regulator z mehko logiko

• Hitri odzivi, ker je čas vzorčenja 10 μs za

meritev položaja.


54

Mikro prijemalo

• Prijemanje mikro in nano objektov je relativno neproblematično.

• Premikanje prijetega mikro/nano objekta je tudi neproblematično.The moving of the gripped micro/nano object is also non problematic.

• Aktivno spuščanje mikro/nano objekta pa je velik problem.


55

Mikro prijemalo

• FDEP – dielektroforezna sila povzroči premik mikro objekta (1 μm -1000μm) zaradi nehomogenega električnega polja na induciran dipolni moment objekta,

• FGRAV – gravitacijska sila,

• FBUOY – sila vzgona – nasprotna grav. sili,

• FDLVO – hidrodinamična sila medija na objekt,

• FET – elektro termalna sila,

• FFLUID – elektroosmozna sila – delci v raztopini se premikajo v smeri z manjšo koncentracijo v raztopini,

• FWAALS – Van der Waals-ova sila – šibka intermolekularna privlačna sila,

• FSTOH – stohastična sila.


56

Mikro prijemalo: elektro termično gnano

dvoprsto prijemalo

Prednost: relativno visoka

prijemalna sila prstov.

Slabost: visoka temperatura (do

1700 K), ki lahko povzroči

mehčanje (topljenje) Si

materiala prijemala ali pa celo

objekta.


57

Mikro prijemalo: piezo electrično gnano

dvoprsto prijemalo

Mikrostruktuirano steklo,

Piezo aktuator,

Nevtralno odprtje 100μm.


58


dvoprsto prijemalo

Kako deluje?


59


dvoprsto prijemalo

Prijemanje objekta s premerom 80 μm

100μm


60


dvoprsto prijemalo

Piezo electrično gnano dvoprsto prijemalo montirano na vrhu nano

robota


61


dvoprsto prijemalo

Trije različni tipi piezo electrično gnanih dvoprstih prijemal,

narejenih s 3D printerjem


62

Mikro prijemalo: piezo electric driven two

finger gripper

Piezo electrično gnano dvoprsto prijemalo pritrjeno na vrhu nano

robota

Baza prijemala

piezo aktuator

žice

prijemalo

Kamera z 10/40/100povečavo


63


dvoprsto prijemalo

Piezo electrično gnano dvoprsto prijemalo pritrjeno na vrhu nano

robota je primerno za prijemanje, premikanje in spuščanje

objekta večjega od 100 μm.


64

Mikro prijemalo: pnevmatsko prijemalo

Laminarni tok medija Turbulentni tok medija

ReD

v D v – srednja vrednost hitrosti

medija,

η – dinamična viskoznost medija,

ρ – gostota medija,

D – diameter cevke.

ReD > 2300 – laminarni tok,

ReD > 2300 – turbulentni tok


65


Pnevmatsko prijemalo z notranjim diametrom cevke 83 μm


66


Objekt (100 μm) je dvignjen

in prisesan na šobi

pnevmatskega prijemala.

Objekt (100 μm) je aktivno

spuščen.


67


Pnevmatsko gnano prijemalo montirano na vrhu nano robota je

primerno da prime, premika in aktivno spusti objekt velikosti

več od 80 μm.


68

Mikro prijemalo: prijemalo z dielektrično silo

kjer:

εd - dielektrična konstanta objekta,

εm - dielektrična konstanta medija,

r - diameter objekta,

E - električno polje.


69


Kako deluje?

1. Nevtralni objekt se polarizira v

električnem polju.

2. Ko je polariziran se začne pomikati v

smeri nasprotno polariziranega pola.


70


Rabimo gradient električnega polja!


71


Električno polje

privlači objekt.Alternirajoče

električno polje

premika objekt

proti zoženemu

gradientu elekt.

polja.

Električno polje

privlači objekt,

neglede na smer

električnega

polja.


72


Če se frekvenca električnega

polja poveča, tedaj

polariteta objekta več ne

sledi alternirajočemu

električnemu polju.

To je razlog zakaj

se objekt začne

pomikati v drugo

smer.


73


Prijemanje objekta v velikosti cca. 25μm

10 μm


74


Aktivno spuščanje objekta velikosti cca. 25μm

10 μm


75


Enoprsto prijemalo gnano z dielektroforezno silo

je primerno za prijemanje in aktivno spuščanje

objekta med 20 μm in 60 μm v mediju zraka.


76

Zaključek

• Dva tipa micro robotov sta bila predstavljena:

- Naprava s pnevmatsko aktivno površino in

- 2 DOF planarni mikro manipulator.

• Nano robot je bil predstavljen.

• Trije tipi mikro prijemal so bili predstavljeni:

- piezo električno gnano dvoprsto prijemalo,

- pnevmatsko prijemalo,

- enoprsto prijemalo gnano z dielektroforezno silo.


77

Hvala!

Izzivi nanorobotike

Education

Transcript of Izzivi nanorobotike