一種三探針機(jī)器人納米操縱系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)器人納米操縱的系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種使用三個(gè)探針進(jìn)行機(jī)器人納米操縱的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器人納米操縱技術(shù)是一種對(duì)操縱對(duì)象定位和控制以實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量和制造的新技術(shù)。該技術(shù)通過控制原子、分子和其它物體研宄介觀現(xiàn)象、制造納米材料和器件，其可能應(yīng)用包括幾乎所有科技領(lǐng)域，是本世紀(jì)最有發(fā)展前景的納米技術(shù)之一。對(duì)于研宄制造納米材料和器件等，人們使用了很多的方法。如機(jī)械加工技術(shù)，其獲得的成品率很高，但精度極低；電化學(xué)方法，可以獲得納米結(jié)構(gòu)，但也無法達(dá)到精準(zhǔn)的要求；利用光刻技術(shù)也可以獲得高精度的納米材料，但無法實(shí)現(xiàn)納米尺度單一結(jié)構(gòu)材料的改造。
[0003]目前，研宄最多的傳統(tǒng)納米操縱方法為原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)，其不但可以得到被操縱物體的形貌圖像，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被操縱物體的操作。但該技術(shù)僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被操縱物體的二維操縱，如“推”、“拉”及“刻劃”等。雙探針機(jī)器人納米操縱系統(tǒng)，是在AFM的基礎(chǔ)上又添加了一個(gè)探針，使兩探針形成鑷子狀，來實(shí)現(xiàn)對(duì)被操縱物體的“提起”、“搬運(yùn)”及“放下”的三維操縱。但是其在使用過程中，受被操縱物體的形狀因素影響較大。故針對(duì)操縱方法簡易、靈活，操縱對(duì)象廣泛等要求，使用三探針機(jī)器人納米操縱技術(shù)將如上系統(tǒng)進(jìn)行改善。
[0004]三探針機(jī)器人納米操縱系統(tǒng)，是在雙探針系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又添加了一個(gè)探針，使這三個(gè)探針形成三角狀。該系統(tǒng)裝置的建立，可以在不破壞其他結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意特定物體的一維、二維及三維操縱，如對(duì)特定物體的搬迀，操縱，切割，測(cè)試及重組等，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被操縱物體的拉伸及對(duì)生物細(xì)胞、蛋白質(zhì)等的“手術(shù)”。其不僅適用于大氣環(huán)境下，還可以應(yīng)用于液相環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物細(xì)胞、蛋白質(zhì)及DNA等的操縱及測(cè)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使用三探針進(jìn)行機(jī)器人納米操縱的系統(tǒng)及方法，不但可觀測(cè)被操縱物體的形貌，振幅、力、電、聲等物理特征的變化，還能在納米尺度上，實(shí)現(xiàn)對(duì)被操縱物體的一維、二維及三維操縱。
[0006]本發(fā)明技術(shù)解決方案:使用三探針進(jìn)行機(jī)器人納米操縱的系統(tǒng)包括:掃描器控制模塊(I)、倒置或正置光學(xué)顯微鏡(3)、第一探針控制模塊(4)，第二探針控制模塊(5)，第三探針控制模塊￠)，力反饋模塊(7)和光學(xué)檢測(cè)模塊(8)。被操縱物體(2)置于掃描器控制模塊(I)上，第一探針控制模塊(4)和第二探針控制模塊(5)分別置于倒置或正置光學(xué)顯微鏡(3)的兩側(cè)，且第一探針控制模塊(4)和第二探針控制模塊(5)在同一水平面上對(duì)立或成特定角度放置，第三探針模塊(6)置于第一探針模塊和第二探針模塊的中垂線上，通過計(jì)算機(jī)分別控制第一探針控制模塊(4)、第二探針控制模塊(5)和第三探針控制模塊(6)動(dòng)作和操作；通過力反饋模塊(7)和光學(xué)檢測(cè)模塊(8)確定實(shí)施操縱力的大小，同時(shí)第一探針控制模塊(4)通過掃描，在納米尺度上獲得被操縱物體的形貌、振幅、力、電、聲等物理圖像。
[0007]所述第一探針控制模塊(4)由第一探針、第一探針架及第一 XYZ方向步進(jìn)電機(jī)組成；第一探針通過第一探針架支撐，并與第一 XYZ方向步進(jìn)電機(jī)相連接，第一 XYZ方向步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)連接。
[0008]所述第二探針控制模塊(5)由第二探針、第二探針架、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及第二 XYZ方向步進(jìn)電機(jī)組成；第二探針通過第二探針架支撐，并與第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器相連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與第二 XYZ方向步進(jìn)電機(jī)連接。第二 XYZ方向步進(jìn)電機(jī)、第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)連接。
[0009]所述第三探針控制模塊￠)由第三探針、第三探針架及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器組成；第三探針通過第三探針架支撐，并與第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器相連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與第三XYZ方向步進(jìn)電機(jī)連接。第三XYZ方向步進(jìn)電機(jī)、第三壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與計(jì)算機(jī)連接。
[0010]一種三探針進(jìn)行機(jī)器人納米操縱的方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0011](I)利用倒置或正置光學(xué)顯微鏡進(jìn)行樣品快速粗定位，選擇被操縱物體位置區(qū)域，再通過第一探針模塊、力反饋模塊、光學(xué)檢測(cè)模塊及掃描器控制模塊對(duì)樣品進(jìn)行掃描，以確定被操縱物體具體位置；
[0012](2)第一探針控制模塊通過力反饋模塊和光學(xué)檢測(cè)模塊的反饋信息，調(diào)整確定第一探針位置，經(jīng)掃描器控制模塊輔助，將其移動(dòng)到被操縱物體的一側(cè)；第二探針控制模塊通過力反饋模塊和光學(xué)檢測(cè)模塊的反饋信息，控制第二探針，并將其移動(dòng)到被操縱物體的另一側(cè)；兩探針形成鑷子狀，固定住被操縱物體；
[0013](3)第三探針控制模塊，通過力反饋模塊和光學(xué)檢測(cè)模塊的反饋信息，控制第三探針對(duì)被操縱物體進(jìn)行輔助夾持或在被第一探針和第二探針固定住的被操縱物體上進(jìn)行操縱；再使用第一探針控制模塊及掃描器控制模塊等通過掃描，在納米尺度上獲得被操縱后物體的形貌、振幅、力、電、聲等物理圖像信息。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明使用三個(gè)探針組成的納米操縱裝置改進(jìn)現(xiàn)有使用單/雙探針納米操縱裝置的操縱方法，不但能得到樣品的形貌圖像，還能通過兩個(gè)探針對(duì)被操縱物體的夾取和另一個(gè)探針的操縱相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意形狀被操縱物體的搬迀，操縱，切割，測(cè)試及重組等的方法。其不僅適用于大氣環(huán)境下，還可以應(yīng)用于液相環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物細(xì)胞、蛋白質(zhì)及DNA等的操縱。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明三探針機(jī)器人納米操縱的系統(tǒng)原理示意圖；
[0016]其中I為掃描器控制模塊，2為被測(cè)物體，3為倒置或正置光學(xué)顯微鏡，4為第一探針控制模塊，5為第二探針控制模塊，6為第三探針控制模塊，7為力反饋模塊，8為光學(xué)檢測(cè)模塊。
[0017]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。其中I為掃描器控制模塊，41為第一探針及第一探針架，42為第一 XYZ方向步進(jìn)電機(jī)，51為第二探針及第二探針架，53為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，52為第二 XYZ方向步進(jìn)電機(jī)，61為第三探針及第三探針架，63為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，62為第三XYZ方向步進(jìn)電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1、2所示，本發(fā)明三探針機(jī)器人納米操縱的系統(tǒng)主要包括:掃描器控制模塊1、倒置或正置光學(xué)顯微鏡3、第一探針控制模塊4、第二探針控制模塊5和第三探針控制模塊6。被測(cè)物體2置于掃描器控制模塊I上，第一探針控制模塊4和第二探針控制模塊5