1、職業教育機電一體化專業教學資源庫新技術新工藝名 稱：機器人化微納操作技術編 制 人：郵 箱：電 話：編制時間：2014.11編制單位：遼寧省交通高等專科學校機器人化微納操作技術微納操作技術是指對微米、亞微米與納米尺度上的物體進行物理、化學和生物等特性的測量，通過推拉、提取、搬運和放置等方法構造與改變物體形狀結構，從而完成微納機器人、傳感器與機電系統的構建微納操作技術將對人類社會產生極其重要的影響，例如人造細胞和細胞修復機器人能對不可治愈疾病所造成的壞損細胞進行替代或修復，并能延長人類的壽命。從1986年開始，Drexler就提出利用工程蛋白納米機器人進行組裝和制造微納米器件或系統的概念。隨后D

2、rexler在理論上提出基于已有的微機械加工、蛋白質工程以及聚合物合成等技術，能實現各種微納米機器人、微納米操作和制造系統的設計。近些年來微納米操作技術的快速發展，為實現Drexler的目標提供了源動力。微/納米機電系統(MEMS/NEMS)作為微納操作技術的典型應用，其形狀大小為微/納米級別，能通過輸入電信號實現其機械運動的控制，進而完成微納米尺度上的操作。微納操作的目標是制造具有新穎物理、化學和生物特性的納米功能器件與微納系統，從而為電子、信息、材料、先進制造與生物醫學等領域的技術發展提供新契機與技術途徑，其發展具有巨大的社會效益和經濟效益微納米操作的意義微納操作技術的提出，不僅為基礎科學

3、研究開辟了新的領域，而且為應用技術研發提供了廣闊的前景。這主要體現在兩個方面，一方面是在微/納米尺度上發現新的物理、化學與生物現象，探索新的納米材料，驗證或建立新的模型與理論;另一方面是利用這些微/納米材料制造出具有新穎物理或化學特性的功能器件與裝置。本文對微納操作技術在生命科學、信息與通訊、環境與能源以及材料與基礎學科等4個領域的應用進行介紹，闡述微納操作的意義。微納操作在生命科學領域的應用從細胞、蛋白質、DNA及RNA到病毒的空間尺寸是在1nm1m的范圍內變化。細胞中的細胞器和其他的結構單元都是執行某種功能的“微納米機械”，因而細胞就像一個個“微納米車間”，植物中的光合作用就是“微納米工廠

4、”的典型例子。原子力顯微鏡(AFM)的發明為人們研究活體狀態生物樣本的納米結構及其特性提供了可行性。AFM的主要優勢是能在生理環境下獲取亞納米分辨率的生物樣本圖像，并且不需要對生物樣本進行染色、固定等前期處理。因而AFM觀測在生物學研究領域，特別是在單細胞和單分子的形貌結構表征上顯示出巨大優勢，在生命科學領域得到廣泛應用。AFM不僅是一個原子級分辨率的成像工具，它還是一個多功能工具箱。控制AFM針尖在樣品表面進行壓痕實驗就可以測量樣品的機械特性。細胞的機械特性近來被認為是一種新的生物標記，對其進行研究將有助于更好地理解疾病的生理機制，并且可為疾病的早期檢測、診斷和治療提供新方法。微納操作在信息

5、與通訊領域的應用自從1958年第一塊集成電路(integratedcircuit，IC)問世以來，微/納電子器件制造、高密度信息存儲技術與微/納機電系統為代表的微電子技術發展非常迅速，已成為信息與通訊研究領域的基礎和核心技術。采用AFM可以完成絕緣體與導體材料在納米尺度上線寬的精確測量。隨著IC制造業中的電路集成度不斷提高，對半導體溝槽的最小線寬測量范圍和精度要求也相應不斷提高。利用AFM的納米級測量精度將有助于進一步提高電路集成度的工藝水平。在觀測基礎上，也可以利用探針針尖與樣品表面的機械作用力研制裝配納米器件，如單電子晶體管、等離子體波導、量子細胞自動機門控、制備抗氧化掩膜、制造DNA生化

6、電路、裝配DNA、蛋白質微陣列。此外AFM還可以用于納米結構加工，目前已有研究工作實現了在各種材料，如聚合物、金屬、絕緣體和半導體上進行刻蝕、壓痕等機械與電場加工操作。微納操作在環境與能源領域的應用微納技術與傳統環境、能源技術交叉融合，提高了傳統能源的使用效率，大幅度降低污染物的排放。例如，表面涂有納米層或納米棒的有機太陽能電池可以大幅增加太陽光的發電量。研究表明，通過新型AFM可以“觀測”工作中的有機太陽能電池工作過程，并將其三維納米結構與性能聯系起來，這對優化有機光伏材料結構，提高有機電池性能有重要的意義。將納米技術與環境保護和環境治理進一步有機結合，許多環保難題諸如大氣污染、污水處理、城

7、市垃圾等問題將會得到解決。AFM在環境保護和環境治理研究中對納米材料，如功能獨特的氧化鋁納米膜進行研究。這些納米膜能夠探測到重金屬對水源造成的污染，并能夠對這些重金屬進行過濾從而消除污染。微納操作在材料與基礎學科領域的應用近年來石墨烯等納米材料作為新型材料得到廣泛研究。AFM作為主要工具研究這些材料的機械特性與電特性，通過納米壓痕，電場切割等加工操作，揭示納米制造過程中物質結構和性能的轉換規律。還有利用AFM掃描時的側向力成像也可以進行納米尺度上的摩擦力研究，這為觀測、分析納觀摩擦力的研究提供了有效技術工具與研究途徑。此外AFM還可以制造離子阱，進行量子點操縱，這對研究微納尺度下的電子學、量子

8、力學也提供了可行方法。總之，這些AFM的應用對提升新型納米材料和介觀物理的研究水平，推動機械學科與物理學科在基礎性、前沿性等方面不斷發展具有重要的現實意義。微納米操作技術實現有意義的微納尺度觀測、裝配與加工等方法是開展微納科學研究、發現微納米尺度事物的新特性和實現加工制造的重要前提與關鍵技術手段，所以它成為不同領域科學家們共同關注的研究方向，并發展了多種基于不同作用機理的微納米操作方法，其中應用最為廣泛的方法有如下5種:基于自組裝(self-assembly)的納米操作、基于光鑷(opticaltweezer)的納米操作、基于介電泳(dielectrophoresis:DEP)的納米操作、基于

9、掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscopy，SEM)的納米操作與基于原子力顯微鏡(atomicforcemicroscopy，AFM)的納米操作。這些方法分別闡述如下。基于自組裝(self-assembly)的微納操作。所謂自組裝是指基本結構單元(分子、納米材料、微米或更大尺度的物質)在平衡條件下，通過基于非共價鍵的相互作用(如空間匹配作用、靜電力、疏水作用、氫鍵等)自發地組織或聚集為一個熱力學上穩定、結構上幾何外觀規則，性能上特殊的聚集體過程。目前DNA自主裝技術已經得到廣泛研究，但是這些方法主要與化學或生物之間的相互作用有關，而非傳統意義上機器人之間的相互作用。因

10、此本文著重描述下面4種操作方法。基于光鑷的微納操作。光鑷是充分利用光的梯度力驅動粒子朝光強最大的位置運動，圖1顯示了光鑷操作的基本原理。該技術自1986年出現至今，作為一種微納米操作工具已廣泛用于生物、物理化學和凝聚態物理等領域。光鑷操作對象的尺寸為幾十納米到幾十微米，可實現粒子的捕獲、移動和旋轉等各種操作。基于掃描電子顯微鏡(scanningelectronmi-croscopy，SEM)的微納操作。基于SEM的微納操作是指在SEM的真空腔內嵌入微納操作器，進而在SEM實時圖像的幫助下完成特定的微納裝配任務。圖2是德國Oldenburg大學的研究者將微納操作器嵌入到SEM的掃描腔內對單根CN

11、T進行操作的過程。國內哈爾濱工業大學機器人實驗室也實現了基于SEM的微納操作系統。盡管在SEM視覺反饋的幫助下能夠有效完成特定的微納操作任務，但要求被觀測物品具有一定的導電性，在操作時，SEM需要在真空環境下工作，成像分辨率有限，缺乏力/觸覺反饋信息，操作者無法依靠力/觸覺反饋信息來輔助精確操作或裝配，容易導致納米材料因受力過大而損壞，這些限制條件導致基于SEM微納操作難以在實際中得到廣泛應用。圖1光鑷的原理示意圖圖2基于SEM的單根CNT操作基于介電泳(dielectrophoresis，DEP)的微納操作。介電泳微納操作技術是一種基于Maxwell經典電磁場理論的操控技術。利用預先設置的電

12、極結構，產生可控電場，實現對材料的輸運、捕獲、旋轉、分離、定向或定位排列和組裝等定向操控，如圖3(a)。介電泳微納操作的對象主要包括零維和一維的納米材料。這些材料常見的有金/銀納米顆粒、碳納米管、納米線、DNA分子等。碳納米管是納米材料的研究焦點，由于其獨特的電特性、機械性能、光電特性和化學惰性等，獲得了眾多領域科技工作者的廣泛關注和研究。自從Yamamoto率先利用直流和交流電泳分離和純化碳納米管，以及Chen等人首次用交流電場裝配單壁碳納米管(SWCNTs)以來，利用介電泳技術操作碳納米管的研究取得了很大的進展，包括分離不同電特性的碳納米管用以提純碳納米管材料;操作組裝碳納米管用以制作碳納

13、米管探針;操作裝配碳納米管以構建場效應管。圖3(b)顯示的是利用DEP對多壁碳納米(multi-walledcarbonnanotube，MWCNT)進行操作的結果，圖中顯示團簇的MWCNT聚集在電極附近。這種方法缺乏對納米物體的定量、定點操控能力，尚難以滿足對納米物質精確操作和構建精確結構的要求。近來在傳統介電泳與光鑷技術基礎上，有研究者提出了光誘導介電泳技術。該技術具有的光控實時可重構性、單粒子操控精度高以及其大規模并行處理能力使該技術有望成為微操縱領域極具潛力的新一代微操控及檢測技術。圖3基于介電泳的納米操作基于原子力顯微鏡(atomforcemicroscpoy)的微納操作。AFM是在

14、納米尺度上通過監控針尖和樣品間的相互作用力進行觀測的一種工具，在觀測基礎上，一些研究者開始利用AFM探針和樣品之間的作用力改變物質微觀形貌和操作原子、分子、生物DNA與納米微粒。AFM通過終端探針與物體的相互作用完成如推、拉、剪切、彎曲、刻畫以及壓痕等機械操作。早在1995年，Junno等人就利用AFM對GaAs微粒在GaAs基片表面進行了操作，排成“nm”字符形狀;Schaefer等人利用AFM探針在高定向裂解石墨(HOPG)表面操作納米金微粒形成納米結構;1998年，Martin等人利用非接觸模式AFM在氧化硅表面操作45nm的銀粒子形成“LTL”形狀;2003年，Decossas利用AF

15、M對碳納米管進行了彎曲變形操作，Yang等人報道了AFM參考點設置對銅納米顆粒搬運的影響;2004年，Muller利用AFM在云母表面實現了3nm間隙納米刻畫;2005年，Pumarol等人通過在AFM探針上施加電脈沖的方法在InP基片上沉積金納米微粒，Sugimoto等人還使用AFM在常溫下對Ge基底上的Sn原子進行推動，由Sn原子排列出了字母“Sn”等。在國內也進行了基于AFM的應用研究，南開大學信息技術科學學院機器人與信息自動化研究所采用智能控制算法，提高了AFM成像與操作的效率。哈爾濱工業大學精密工程研究所在AFM上安裝金剛石探針對單晶硅與單晶鋁等納米材料進行機械加工。華僑大學機電工程

16、系也采用金剛石探針對單晶銅進行了機械切削實。清華大學摩擦學國家重點實驗室對納米管進行了拉直，剪切等試驗。上海交通大學對DNA分子進行了切割與拾取等實驗。本課題組對單/多壁碳納米管進行了精確操作與裝配實驗，并且在三維空間里實現單分子病毒的可控操作。另外針對AFM操作和觀測不能同時運行的問題，哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室提出雙探針AFM操作系統，如圖4所示，實現一邊觀測一邊操作的工作模式。該系統在工作時，需要對每一個探針的位置進行標定，在此基礎上，進行雙探針間的相互標定，實現協同工作。圖4雙探針結構AFM納米操作系統通過上面的描述，我們知道AFM與掃描電子顯微鏡(SEM)/透射電子

17、顯微鏡(TEM)，介電泳操作(DEP)，光誘導介電泳(ODEP)等為基礎的操作工具相比，具有運動精度高、可控和可重復的作業方式、獨特的機械力作用機理;由于能夠同時具備觀測和操作的能力而受到研究者的廣泛關注。它克服了前述操作方法在微納電子器件裝備中存在的缺陷，并在高分辨率的觀測基礎上，進行高精度納米操控，是目前最有潛力的微納操作工具。然而由于AFM在微納操作中缺乏信息反饋，無法實時顯示操作結果，只有在操作后，通過重新成像才能獲得操作結果，因此操作效率不高。20世紀90年代后期有學者開始將機器人技術中的感知、決策和行為理論引入到微納操作中，逐漸形成機器人化的微納操作技術。美國南加州大學的Requicha等人借鑒機器人學中的交互控制思想，對AFM進行了二次開發。通過在一幅靜態的AFM圖像上，用鼠標點擊設定探針運動軌跡進行納米操作，由于在操作過程中只能實時單向反映懸臂梁變形的信息，在此基礎上很難指導下一步的納米操作。為了提高AFM納米操作的效率，日本東京大學的Sitti研究組建立虛擬現實操作界面，并引入了一個自由度的力反饋裝置讓操作者感受到探針在Z方向上所受的納米操作力，其系統構造如圖5(a)。Sitti將此系統歸結為納米尺度下的遙操作機器人，重點分析了從宏觀到微觀雙向傳遞的力學模型，并對力反饋式的遙操作控制進行了研究，對納米操作中視覺反饋和力反饋的生成進行了初步討論。同時