[发明专利]基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器

说明书

本公开提供一种基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器，包括作动器I、作动器II、作动器III、动子、磁流体轴承和支撑管；支撑管配置在作动器I和作动器II之间；动子配置在支撑管内部；作动器I和动子之间配置有磁流体I；作动器II和动子之间配置有磁流体II；作动器III配置在支撑管的外周；作动器III和动子之间配置有磁流体III；磁流体轴承配置在支撑管的外周；通过控制作动器I和作动器II，驱动动子沿轴向运动；通过控制作动器III，驱动动子以磁流体轴承为支点做转动运动。

技术领域

本公开涉及生命科学和生物工程领域，尤其涉及一种基于磁流体驱动多自由度柔性微位移操纵器。

背景技术

在面向生物工程的显微操作系统中，驱动显微操纵器完成相应任务，是生物工程中的一个重点研究方向。其中通过标准化的高精度定位、校准平台实现分辨率达到纳米级的精密微动是显微操作技术中不可或缺的关键技术之一。常见的显微操作技术包括核移植、细胞显微注射、显微切割及动物胚胎移植等。显微操作的细胞尺寸仅为10--100μm级，这就对显微操作器的精密控制提出了较高的要求。以细胞注射技术为例，在传统的显微注射系统中，存在注射效率低、操作困难、细胞损伤、可重复性差等不足，实验过程易受操作人员技能、精力和情绪等因素干扰，且定位精度低，刺膜速度慢，易引起细胞大幅度变形或细胞膜大面积破碎，降低了细胞注射实验效率和注射后细胞存活率。现有国外研究的显微注射系统具有刺膜速度快、控制精度高等优点，但是成本很高。因此，研发一种精度较高、结构简单、成本较低的适用于显微操作技术的显微操纵器，对于提高显微操作实验效率，降低实验人员操作难度有重大的科学意义和广阔的应用前景。

磁流体(Ferrofluid)是一种具有随外加磁场强度而有可控流变特性的特殊的新型纳米材料。它是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。这种胶状液体具有固体磁性材料和液体材料所具备的双重特性：静态时，磁流体无磁力；当外加磁场作用时，就表现出磁性，而且其磁性与其流动性具有极强的相关性，磁流体从具有线性粘度自由流动的牛顿流体在毫秒级的瞬间可逆的转变为具有可控屈服强度的塑性体或粘弹性体，且在磁流体内部会产生压力，这便是磁流体的一个重要特征——磁流变行为。另外，磁流体还具有“对中”特性。由于磁流体变形产生的力的平衡作用，它能够使两个直径不同圆柱保持同轴，不受一定范围内的外力的影响。除上述特性外，磁流体还可起到减震、润滑的作用。

发明内容

本公开提供一种新型的基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器，借助磁流体的磁流变行为、对中特性及减震润滑等特性，通过调控通往绕组的电流，来控制磁流体所处的由电磁场和永磁场耦合而成的磁场强弱，进而改变磁流体的形状，实现与磁流体接触的部件的微位移控制。由于磁流体在磁场中表现为一种弹性体，则便达到了柔性控制的目的。基于此原理本公开能够实现多个自由度微位移的柔和、平稳和精准控制。本公开的基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器装置结构紧凑，成本低，可实现高精度定位及精密微动。

本公开的基于磁流体驱动的多自由度柔性微位移操纵器通过以下技术方案实现。

基于磁流体驱动的微位移操纵器，包括作动器I、作动器II、作动器III、动子、磁流体轴承和支撑管；动子配置在支撑管内部；作动器I和动子之间配置有磁流体I；作动器II和动子之间配置有磁流体II；作动器III配置在支撑管的外周；作动器III和动子之间配置有磁流体III；磁流体轴承配置在支撑管的外周；通过控制作动器I和作动器II，驱动动子沿轴向运动；通过控制作动器III，驱动动子以磁流体轴承为支点做转动运动。

根据本公开的至少一个实施方式，作动器I提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体I的形状；作动器II提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体II的形状；作动器III提供磁场，并通过控制磁场强度来控制磁流体III的形状。

根据本公开的至少一个实施方式，动子包括上端盖、空心管和下端盖，上端盖配置在空心管的上端，下端盖配置在空心管的下端。