微纳马达的制备及驱动控制方法研究

摘要

微纳马达是一种在微纳尺度上能够将化学能、光能、磁能以及电能等能量转化为动能推动自身运动的装置。作为探究微观世界的重要载体，微纳马达具有重量轻、体积小和输出推力大等优点，在生物传感检测、微纳器件制造和靶向药物释放等领域具有广阔的应用前景。
　　目前，微纳马达的研究尚处在方兴未艾阶段，有别于传统的大型动力输出装置，微纳马达在驱动、控制和结构间具有耦合作用，因而存在制备方法复杂、驱动效率低以及控制精度差等诸多科学问题。针对微纳马达在生物检测传感领域应用存在的不足，本文以驱动方式为主线，结合控制方法和应用对微纳马达的运动行为及驱动控制机理进行研究。
　　对于阴阳球微米马达，采用实验和分子动力学仿真相结合方法系统地研究了溶液浓度、催化材料和马达形状等因素对微米马达驱动性能的影响规律。研究表明在浓度为15%的过氧化氢水溶液中，阴阳球微米马达的运动速度最快可达36.8μm/s。应用金铂阴阳球微米马达对微缺陷进行修复，在浓度为15%的过氧化氢溶液中，阴阳球微米马达在32 min后可完成微缺陷的修复，修复后的电阻仅为76Ω。利用二氧化硅铂阴阳球微米马达实现超分辨显微成像检测分辨率高达20 nm，显著提高了光学显微成像的分辨率。
　　对于管状微米马达，采用实验和理论分析相结合方法对微米马达的化学驱动性能影响因素进行系统地研究。研究表明在浓度为15%的过氧化氢水溶液中，直径5μm、长度20μm的复合多层膜微米马达的运动速度最快可达1550μm/s。并且，利用气泡驱动微米马达对神经毒素（甲基对氧磷）和有机染料（罗丹明6G）进行吸附，最高吸附效率可达95%。
　　基于鱼类依靠躯体和尾鳍摆动的驱动机理，提出了一种柔性纳米马达的振荡磁场驱动方法，并通过实验和沉浸边界仿真相结合研究磁场频率、马达形状和溶液环境等因素对柔性纳米马达运动速度的影响规律。研究表明在频率为11 Hz的振荡磁场驱动下，身长5μm的柔性仿鱼型纳米马达运动速度最快可达30.9μm/s，此外，通过控制振荡磁场可实现对仿鱼型纳米马达运动速度和运动方向进行调控。通过对柔性微米马达的结构进行优化，本文提出了一种运动效率更高的柔性双臂型纳米马达。研究表明在频率为25 Hz的振荡磁场驱动下，双臂型柔性纳米马达的运动速度最快可达59.3μm/s。
　　基于超声场驱动和磁场驱动提出一种微纳马达多物理场混合驱动新方法，并通过实验和仿真相结合的方法对多物理场混合驱动性能进行研究。研究表明，随着磁场驱动频率和超声场驱动电压的增加，多物理场混合驱动纳米马达运动速度呈增大的趋势。并且，通过控制物理场可以实现对多物理场混合驱动纳米马达的运动状态进行调控。此外，在超声场和磁场共同作用下，多物理场混合驱纳米马达出现了群集效应。
　　基于图像识别技术与自动控制技术提出一种微纳马达自主导航控制方法。微纳马达自动控制系统主要由工业相机、自主导航控制系统、磁场控制系统和电磁铁组四部分构成，可用于对不同驱动方式微纳马达的运动状态进行控制。在自主导航系统控制下，微纳马达可对运动路径进行规划，在单一障碍、多路径障碍、多目的地障碍、简单迷宫和复杂迷宫中进行自主运动。
　　综上所述，本文在微纳马达新驱动方式、新控制方法以及新功能应用等方面开展深入的研究。上述研究为微纳马达的研究提供理论和技术支持，可推动微纳马达在生物检测传感和药物靶向释放等领域的应用发展。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 微纳马达驱动方式研究现状

1.3 微纳马达的制备研究现状

1.4 微纳马达的控制方法研究现状

1.5 微纳马达的应用研究现状

1.6 本文主要研究内容

第2章 阴阳球微米马达的制备及运动研究

2.1 引言

2.2 阴阳球微米马达的制备及形貌表征

2.3 阴阳球微米马达的运动行为研究

2.4 阴阳球微米马达的潜在应用研究

2.5 本章小结

第3章 气泡驱动管状微米马达的制备及运动研究

3.1 引言

3.2 气泡驱动管状微米马达的制备及形貌表征

3.3 气泡驱动管状微米马达的运动行为研究

3.4 气泡驱动管状微米马达的潜在应用研究

3.5 本章小结

第4章 磁场驱动仿生纳米马达的制备及运动研究

4.1 引言

4.2 柔性仿鱼型纳米马达的制备及运动研究

4.3 柔性双臂型纳米马达的制备及运动研究

4.4 本章小结

第5章 混合驱动纳米马达的制备及运动研究

5.1 引言

5.2 混合驱动纳米马达的制备及形貌表征

5.3 混合驱动纳米马达的运动行为研究

5.4 本章小结

第6章 微纳马达的自主导航控制方法研究

6.1 引言

6.2 微纳马达自主导航控制系统的设计

6.3 微纳马达自主导航控制的实验研究

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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