[發明專利]一種SEM下納米構件閉環操控方法及操作平臺設計方案

在審

• 申請號: 201810258030.0
• 申請日: 2018-03-27
• 公開（公告）號: CN108584868A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 李東潔;王倩倩
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種SEM下納米構件閉環操控方法及操作平臺設計方案。SEM下納米構件閉環操控方法及操作平臺的研究將為納尺度構件的穩定操作提供理論基礎和實用方法，對促進我國NEMS、生物工程、光電工程、納米科學等領域相關研究的進一步發展具有重要的理論和現實意義。項目所進行的工作屬基礎性研究，主要著重在機理、方法方面，為納觀尺度構件的實時、高效及三維可視化操作提供相關的理論、方法和控制策略，能從根本上促進納米操作技術的發展和實用化，具有重要的理論意義和實用價值，為系統向生物工程、光電工程、信息存儲等領域的產業化提供平臺。

技術領域

本發明屬于微納操作，具體涉及一種SEM下納米構件閉環操控方法及操作平臺設計方案。

背景技術

納米操作是在納觀尺度上通過施加外部場能使微納器件按照人的意愿進行移動、定位、拾取/釋放、整形等操縱以及裝配與封裝等作業，實現對整個微觀世界的有效控制，是微/納制造科學與技術研究的重要內容之一，是國際機器人學和納米科技領域受到廣泛關注的熱點研究領域。納米操作系統在微/納米尺度功能器件探索和制造過程中發揮著日益重要的作用，利用納米操作技術制造可靠性好、適應性強、技術附加值高、市場回報率大于傳統產業的微/納產品，在機電工程、光電、信息存儲、醫療、生物工程、材料工程、納米仿生以及軍事等領域具有廣闊的應用前景。

由于納米操作對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生的尺度效應、表面/界面效應和量子效應起主導作用；另外，機械、電磁、熱、流體等多場的耦合作用使得在微/納操作中呈現出諸多與宏觀操作不同的現象和特點，給微/納操作技術帶來了巨大挑戰和諸多科學技術問題。由于操作對象尺度上的特殊性，實現自動化、批量化操作還存在很多理論和實際問題。因此，在基于分子動力學理論對納尺度對象操作進行模擬的基礎上研究納米構件的操控方法具有重要的理論意義和實用價值。另外，由于納觀操作環境的非結構化特點和納操作的尺度效應，使納米操作過程中的力覺交互顯得尤為重要。對納米操作來說，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，在非結構化的納米操作環境中，如果可以獲知或者模擬(如利用AR或VR技術)微納尺度構件的力覺信息，并將這些信息數據通過合適的縮放比傳遞到操作者的感知范圍內，實現力覺反饋，操作者便可以合理的調整微納構件的操作角度和操作力度，使操作/裝配更加精確和穩定。因此將遙操作技術引入微納操作，拓寬了操作者在微納操作領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納米操作，可以提高納米操作系統的人機交互能力和納米操作的實時性、準確性及精度。

發明內容

本發明以研究納米構件操作的新方法為目標，對SEM環境下納米構件的閉環操控方法和SEM二維納米操作環境的實時三維可視化展開研究：具體研究內容如下。

所述的SEM下納米構件閉環操控方法及操作平臺，使用分子動力學模擬納米構件的操作過程，建立操作角度、操作點和單步位移量的最佳匹配關系，從理論上解決納構件移動、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納米操作控制方法和虛擬納米操作環境的建模方法。

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圖像的興趣區域的模糊度評價函數來獲取目標深度信息，基于Simulink建立末端執行機構的模糊PID控制模型進行仿真，最后利用所獲取的信息實現基于模糊PID的三維閉環納米操作控制；將只有二維圖像轉化為三維可視化納米操作環境，提高了操作者的感知能力。

所述的三維可視化納米操作環境，不僅為操作者提供實時的圖像信息，還可以實現在對新的控制方法和算法的虛擬預測預演滿意之后，控制實際平臺自動進行納米操作，在節約大量研究經費的同時大大縮短了研究周期，為實現納米操作的全自動化奠定了基礎。

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