一種三探針機器人納米操縱系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機器人納米操縱的系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種使用三個探針進行機器人納米操縱的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機器人納米操縱技術(shù)是一種對操縱對象定位和控制以實現(xiàn)納米測量和制造的新技術(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，還可以實現(xiàn)對被操縱物體的操作。但該技術(shù)僅可以實現(xiàn)對被操縱物體的二維操縱，如“推”、“拉”及“刻劃”等。雙探針機器人納米操縱系統(tǒng)，是在AFM的基礎(chǔ)上又添加了一個探針，使兩探針形成鑷子狀，來實現(xiàn)對被操縱物體的“提起”、“搬運”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。故針對操縱方法簡易、靈活，操縱對象廣泛等要求，使用三探針機器人納米操縱技術(shù)將如上系統(tǒng)進行改善。
[0004]三探針機器人納米操縱系統(tǒng)，是在雙探針系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，又添加了一個探針，使這三個探針形成三角狀。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，實現(xiàn)對任意特定物體的一維、二維及三維操縱，如對特定物體的搬迀，操縱，切割，測試及重組等，還可以實現(xiàn)對被操縱物體的拉伸及對生物細(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，實現(xiàn)對生物細(xì)胞、蛋白質(zhì)及DNA等的操縱及測試。

【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行機器人納米操縱的系統(tǒng)及方法，不但可觀測被操縱物體的形貌，振幅、力、電、聲等物理特征的變化，還能在納米尺度上，實現(xiàn)對被操縱物體的一維、二維及三維操縱。
[0006]本發(fā)明技術(shù)解決方案:使用三探針進行機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，通過計算機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)動作和操作；通過力反饋模塊(7)和光學(xué)檢測模塊(8)確定實施操縱力的大小，同時第一探針控制模塊(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方向步進電機組成；第一探針通過第一探針架支撐，并與第一 XYZ方向步進電機相連接，第一 XYZ方向步進電機與計算機連接。
[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)動器及第二 XYZ方向步進電機組成；第二探針通過第二探針架支撐，并與第二壓電陶瓷驅(qū)動器相連接，壓電陶瓷驅(qū)動器與第二 XYZ方向步進電機連接。第二 XYZ方向步進電機、第二壓電陶瓷驅(qū)動器與計算機連接。
[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)動器相連接，壓電陶瓷驅(qū)動器與第三XYZ方向步進電機連接。第三XYZ方向步進電機、第三壓電陶瓷驅(qū)動器與計算機連接。
[0010]一種三探針進行機器人納米操縱的方法，實現(xiàn)步驟如下:
[0011](I)利用倒置或正置光學(xué)顯微鏡進行樣品快速粗定位，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)檢測模塊及掃描器控制模塊對樣品進行掃描，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)檢測模塊的反饋信息，控制第二探針，并將其移動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)檢測模塊的反饋信息，控制第三探針對被操縱物體進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)點在于:本發(fā)明使用三個探針組成的納米操縱裝置改進現(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，還能通過兩個探針對被操縱物體的夾取和另一個探針的操縱相配合，實現(xiàn)對任意形狀被操縱物體的搬迀，操縱，切割，測試及重組等的方法。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，實現(xiàn)對生物細(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)檢測模塊。
[0017]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)計圖。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方向步進電機，51為第二探針及第二探針架，53為壓電陶瓷驅(qū)動器，52為第二 XYZ方向步進電機，61為第三探針及第三探針架，63為壓電陶瓷驅(qū)動器，62為第三XYZ方向步進電機。
【具體實施方式】
[0018]如圖1、2所示，本發(fā)明三探針機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