基于毛细作用的微管吞吐型微操作方法及其系统的研究

摘要

“拾取-释放”微操作技术及自装配技术是目前两种常见的微操作技术。“拾取-释放”微操作灵活性及可靠性好，但操作效率低；自装配技术作为一种并行式操作方法，操作效率高，但灵活性及精度较差。随着微机电系统、光学成像、显微医疗等领域的发展，对微操作技术的操作效率及精度的要求越来越高，因此，研究一种兼具操作效率和灵活性的微操作方法具有重要意义。
　　结合“拾取-释放”微操作及自装配技术，本文提出基于毛细作用的微管吞吐型微操作方法，同时兼具“拾取-释放”微操作的灵活性和自装配的高效性，并搭建相应的微操作系统，可对微米级对象(十几至几十微米)进行高效、灵活地操作。
　　首先，理论研究了包括微对象的自动填充、可靠释放及柔性拾取三个主要过程在内的微操作方法。从流体力学角度分析了相关参数对自动填充效率的影响。对微操作释放及拾取过程进行了力学分析。此外，为了研究液桥毛细作用力对释放及拾取效果的影响，基于Young-Laplace方程，建立了释放及拾取过程的液桥作用模型，并在此基础上进行了释放及拾取过程的仿真分析，获得了释放及拾取过程中的液桥表面轮廓，并分析了毛细力大小的影响因素。
　　其次，研制了包括末端执行器、压强调节单元及振动单元在内的微管吞吐型微操作工具。搭建了包括微操作工具模块、显微视觉反馈模块及运动模块在内的基于毛细作用的微管吞吐型微操作系统。在此基础上，研究了基于显微视觉反馈的微操作控制方法，具体内容包括自动释放及拾取的控制策略、微对象及微操作工具的图像识别和定位、释放及拾取过程中反馈信息的获取，为提高系统的自动化程度提供了理论基础。
　　最后，利用搭建的微操作系统进行了实验研究。自动填充实验表明，自动填充效率受微对象悬浮液浓度及液体挥发性的影响较大；振动单元可有效解决自动填充过程中，由于微对象粘着造成的堵塞问题。释放实验表明，操作工具内外压强差越大、接触角越小，释放成功率越高；综合调节压强差、微管内径及接触角等参数，可获得2.1±0.41μm的释放位置精度。拾取实验表明，采用较小的压强差和较大的接触角，可获得更高的拾取成功率；由于液桥自校准能力，该方法可以实现微对象的错位拾取。此外，进行了显微视觉检测实验，获取释放及拾取过程中的反馈信息，验证了基于显微视觉的控制方法的有效性。最后，通过较为复杂的微球操作实验，验证了微操作方法的可重复性、对不同尺寸微对象的适用性，和微操作系统的有效性。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3课题来源

1.4主要研究内容

第2章 基于毛细作用的微管吞吐型微操作方法

2.1引言

2.2基于毛细作用的微管吞吐型微操作基本原理

2.3微对象自动填充过程

2.4微操作释放及拾取过程原理

2.5微操作释放及拾取过程仿真分析

2.6本章小结

第3章 基于毛细作用的微管吞吐型微操作系统搭建及控制方法

3.1引言

3.2微操作系统的搭建

3.3基于显微视觉反馈的微操作控制方法的研究

3.4本章小结

第4章 基于毛细作用的微管吞吐型微操作实验研究

4.1引言

4.2实验材料的准备

4.3微对象自动填充实验研究

4.4微对象可靠释放实验研究

4.5微对象柔性拾取实验研究

4.6显微视觉检测实验

4.7基于毛细作用的微管吞吐型微操作实验

4.8本章小结

结论

参考文献

声明

致谢