[发明专利]一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案

说明书

一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案。SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台的研究将为纳尺度构件的稳定操作提供理论基础和实用方法，对促进我国NEMS、生物工程、光电工程、纳米科学等领域相关研究的进一步发展具有重要的理论和现实意义。项目所进行的工作属基础性研究，主要着重在机理、方法方面，为纳观尺度构件的实时、高效及三维可视化操作提供相关的理论、方法和控制策略，能从根本上促进纳米操作技术的发展和实用化，具有重要的理论意义和实用价值，为系统向生物工程、光电工程、信息存储等领域的产业化提供平台。

技术领域

本发明属于微纳操作，具体涉及一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案。

背景技术

纳米操作是在纳观尺度上通过施加外部场能使微纳器件按照人的意愿进行移动、定位、拾取/释放、整形等操纵以及装配与封装等作业，实现对整个微观世界的有效控制，是微/纳制造科学与技术研究的重要内容之一，是国际机器人学和纳米科技领域受到广泛关注的热点研究领域。纳米操作系统在微/纳米尺度功能器件探索和制造过程中发挥着日益重要的作用，利用纳米操作技术制造可靠性好、适应性强、技术附加值高、市场回报率大于传统产业的微/纳产品，在机电工程、光电、信息存储、医疗、生物工程、材料工程、纳米仿生以及军事等领域具有广阔的应用前景。

由于纳米操作对象的尺寸由微米尺度延伸到纳米尺度，在操作过程中由尺寸不断减小而产生的尺度效应、表面/界面效应和量子效应起主导作用；另外，机械、电磁、热、流体等多场的耦合作用使得在微/纳操作中呈现出诸多与宏观操作不同的现象和特点，给微/纳操作技术带来了巨大挑战和诸多科学技术问题。由于操作对象尺度上的特殊性，实现自动化、批量化操作还存在很多理论和实际问题。因此，在基于分子动力学理论对纳尺度对象操作进行模拟的基础上研究纳米构件的操控方法具有重要的理论意义和实用价值。另外，由于纳观操作环境的非结构化特点和纳操作的尺度效应，使纳米操作过程中的力觉交互显得尤为重要。对纳米操作来说，相比于位置传感器，微力觉传感器是更好的解决方案；但用于微纳操作，尤其是纳米尺度操作的力传感器制作非常困难、制作成本极高且极易损坏。因此，在非结构化的纳米操作环境中，如果可以获知或者模拟(如利用AR或VR技术)微纳尺度构件的力觉信息，并将这些信息数据通过合适的缩放比传递到操作者的感知范围内，实现力觉反馈，操作者便可以合理的调整微纳构件的操作角度和操作力度，使操作/装配更加精确和稳定。因此将遥操作技术引入微纳操作，拓宽了操作者在微纳操作领域的感知能力和操作能力。另外，借助虚拟3D视觉和虚拟力觉交互来引导纳米操作，可以提高纳米操作系统的人机交互能力和纳米操作的实时性、准确性及精度。

发明内容

本发明以研究纳米构件操作的新方法为目标，对SEM环境下纳米构件的闭环操控方法和SEM二维纳米操作环境的实时三维可视化展开研究：具体研究内容如下。

所述的SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台，使用分子动力学模拟纳米构件的操作过程，建立操作角度、操作点和单步位移量的最佳匹配关系，从理论上解决纳构件移动、定位及拾取的效率和成功率问题，并提出基于SEM二维图像的三维闭环纳米操作控制方法和虚拟纳米操作环境的建模方法。

所述的基于二维SEM图像的三维特征信息的提取方法，利用二维SEM图像的兴趣区域的模糊度评价函数来获取目标深度信息，基于Simulink建立末端执行机构的模糊PID控制模型进行仿真，最后利用所获取的信息实现基于模糊PID的三维闭环纳米操作控制；将只有二维图像转化为三维可视化纳米操作环境，提高了操作者的感知能力。

所述的三维可视化纳米操作环境，不仅为操作者提供实时的图像信息，还可以实现在对新的控制方法和算法的虚拟预测预演满意之后，控制实际平台自动进行纳米操作，在节约大量研究经费的同时大大缩短了研究周期，为实现纳米操作的全自动化奠定了基础。

所述的基于二维SEM图像的三维闭环纳米操作的控制，在大幅降低操作平台成本的同时使操控过程更加稳定、可靠，有利于提高纳米操作的控制精度和可靠性。