[發(fā)明專利]SEM下納米構(gòu)件閉環(huán)操控方法及操作平臺(tái)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711040613.8
• 申請(qǐng)日: 2017-10-31
• 公開（公告）號(hào): CN108002344A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李東潔;王倩倩;李潛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B82B3/00
• 分類號(hào): B82B3/00;B82Y40/00
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SEM下納米構(gòu)件閉環(huán)操控方法及操作平臺(tái)。SEM下納米構(gòu)件閉環(huán)操控方法及操作平臺(tái)的研究將為納尺度構(gòu)件的穩(wěn)定操作提供理論基礎(chǔ)和實(shí)用方法，對(duì)促進(jìn)我國(guó)NEMS、生物工程、光電工程、納米科學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。項(xiàng)目所進(jìn)行的工作屬基礎(chǔ)性研究，主要著重在機(jī)理、方法方面，為納觀尺度構(gòu)件的實(shí)時(shí)、高效及三維可視化操作提供相關(guān)的理論、方法和控制策略，能從根本上促進(jìn)納米操作技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，為系統(tǒng)向生物工程、光電工程、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化提供平臺(tái)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納操作，具體涉及一種SEM下納米構(gòu)件閉環(huán)操控方法及操作平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。

背景技術(shù)

納米操作是在納觀尺度上通過施加外部場(chǎng)能使微納器件按照人的意愿進(jìn)行移動(dòng)、定位、拾取/釋放、整形等操縱以及裝配與封裝等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)微觀世界的有效控制，是微/納制造科學(xué)與技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一，是國(guó)際機(jī)器人學(xué)和納米科技領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。納米操作系統(tǒng)在微/納米尺度功能器件探索和制造過程中發(fā)揮著日益重要的作用，利用納米操作技術(shù)制造可靠性好、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)附加值高、市場(chǎng)回報(bào)率大于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的微/納產(chǎn)品，在機(jī)電工程、光電、信息存儲(chǔ)、醫(yī)療、生物工程、材料工程、納米仿生以及軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于納米操作對(duì)象的尺寸由微米尺度延伸到納米尺度，在操作過程中由尺寸不斷減小而產(chǎn)生的尺度效應(yīng)、表面/界面效應(yīng)和量子效應(yīng)起主導(dǎo)作用；另外，機(jī)械、電磁、熱、流體等多場(chǎng)的耦合作用使得在微/納操作中呈現(xiàn)出諸多與宏觀操作不同的現(xiàn)象和特點(diǎn)，給微/納操作技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)和諸多科學(xué)技術(shù)問題。由于操作對(duì)象尺度上的特殊性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、批量化操作還存在很多理論和實(shí)際問題。因此，在基于分子動(dòng)力學(xué)理論對(duì)納尺度對(duì)象操作進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)上研究納米構(gòu)件的操控方法具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。另外，由于納觀操作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)和納操作的尺度效應(yīng)，使納米操作過程中的力覺交互顯得尤為重要。對(duì)納米操作來說，相比于位置傳感器，微力覺傳感器是更好的解決方案；但用于微納操作，尤其是納米尺度操作的力傳感器制作非常困難、制作成本極高且極易損壞。因此，在非結(jié)構(gòu)化的納米操作環(huán)境中，如果可以獲知或者模擬(如利用AR或VR技術(shù))微納尺度構(gòu)件的力覺信息，并將這些信息數(shù)據(jù)通過合適的縮放比傳遞到操作者的感知范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)力覺反饋，操作者便可以合理的調(diào)整微納構(gòu)件的操作角度和操作力度，使操作/裝配更加精確和穩(wěn)定。因此將遙操作技術(shù)引入微納操作，拓寬了操作者在微納操作領(lǐng)域的感知能力和操作能力。另外，借助虛擬3D視覺和虛擬力覺交互來引導(dǎo)納米操作，可以提高納米操作系統(tǒng)的人機(jī)交互能力和納米操作的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性及精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明以研究納米構(gòu)件操作的新方法為目標(biāo)，對(duì)SEM環(huán)境下納米構(gòu)件的閉環(huán)操控方法和SEM二維納米操作環(huán)境的實(shí)時(shí)三維可視化展開研究：具體研究?jī)?nèi)容如下。

所述的SEM下納米構(gòu)件閉環(huán)操控方法及操作平臺(tái)，使用分子動(dòng)力學(xué)模擬納米構(gòu)件的操作過程，建立操作角度、操作點(diǎn)和單步位移量的最佳匹配關(guān)系，從理論上解決納構(gòu)件移動(dòng)、定位及拾取的效率和成功率問題，并提出基于SEM二維圖像的三維閉環(huán)納米操作控制方法和虛擬納米操作環(huán)境的建模方法。

所述的基于二維SEM圖像的三維特征信息的提取方法，利用二維SEM圖像的興趣區(qū)域的模糊度評(píng)價(jià)函數(shù)來獲取目標(biāo)深度信息，基于Simulink建立末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模糊PID控制模型進(jìn)行仿真，最后利用所獲取的信息實(shí)現(xiàn)基于模糊PID的三維閉環(huán)納米操作控制；將只有二維圖像轉(zhuǎn)化為三維可視化納米操作環(huán)境，提高了操作者的感知能力。

所述的三維可視化納米操作環(huán)境，不僅為操作者提供實(shí)時(shí)的圖像信息，還可以實(shí)現(xiàn)在對(duì)新的控制方法和算法的虛擬預(yù)測(cè)預(yù)演滿意之后，控制實(shí)際平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行納米操作，在節(jié)約大量研究經(jīng)費(fèi)的同時(shí)大大縮短了研究周期，為實(shí)現(xiàn)納米操作的全自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。

所述的基于二維SEM圖像的三維閉環(huán)納米操作的控制，在大幅降低操作平臺(tái)成本的同時(shí)使操控過程更加穩(wěn)定、可靠，有利于提高納米操作的控制精度和可靠性。