基于柔性可控氣液界面的微尺度執行器

嚴珺嘉， 劉吉曉， 周一笛， 郭士杰，3

(1.河北工業大學機械工程學院，天津 300132；2.河北工業大學河北省機器人感知與人機融合重點實驗室，天津 300132；3.河北工業大學電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300132)

引言

微納操作是研究對微尺度(1×10-3～1 mm)物體進行推拉、提取、搬運、放置等操控的技術。目前最為廣泛的微納操作方法有5種：基于自組裝的微納操作[1]、基于光鑷的微納操作[2-8]、基于介電泳的微納操作[9-13]、基于掃描電子顯微鏡的微納操作[14-20]和基于原子力顯微鏡的微納操作[21-29]。基于自組裝操作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，因此這種方法可應用領域有限，不適用于微電子器件零部件的組裝；基于掃描電子顯微鏡微納操作與基于原子力顯微鏡的微納操作所需的操作環境要求高并且操作復雜，且都是通過微尺度剛性末端直接與被研究對象接觸，在操作過程中有損害被操作對象的風險；基于光鑷的微納操作和基于介電泳的微納操作都是通過創造能量梯度對被操縱對象進行操作，雖然是以非接觸方式操縱物體，與被研究對象無剛性接觸，但是兩種能量場強度也會對特定的研究對象造成傷害或變形。

由于微納操作對象為細胞、DNA、微電子器件零部件等，操作環境大多為液體環境，因此可以通過在液體環境下生成氣液界面——氣泡，并利用其進行一系列微納操作。對氣液相互作用的研究大多為微流控芯片[30-33]，在微流控芯片中的流道生成可控氣泡，實現微閥功能[34]；用微流控芯片中氣泡做氣液反應器[35]、流量穩流器[36]，或利用流道中氣泡與聲場耦合抓取微粒[37]；氣泡也可以直接被當作驅動器驅動微操平臺等[38]。

為了在微尺度范圍內實現對目標對象進行柔性施力、推拉等一系列微納操作，本研究主要介紹一種應用單個氣泡實現微尺度柔性執行器功能的方法。生成控制單個微尺度氣泡直接與目標對象接觸并施力，由于氣體的可壓縮性，氣泡施力的同時被擠壓變形，進而通過氣泡對目標對象實現柔性施力、移動等微納操作。本研究首先定量分析氣泵生成控制氣泡變化的過程；然后以一個微型懸臂梁作為參照物，氣泡作為執行器在懸臂梁的末端施力，根據懸臂梁形變來估算氣泡的施力值；通過實驗分析單個氣泡作為執行時，氣泡輸出力與氣泡形狀之間的關系。

1 氣泡生成方法

本研究是通過毛細管連接氣泵的方式，在液體環境下，毛細管末端生成單個微尺度氣泡。實驗所用到的氣泡生成與控制的裝置如圖1所示，其主要由兩部分組成：一部分裝置是用于觀測氣泡的顯微視覺平臺，由奧林巴斯顯微鏡系統和一臺同軸光顯微鏡組成，如圖1a所示同軸光顯微鏡放置在奧林巴斯顯微鏡的側面，用來增加觀測氣泡的視覺信息；另一部分裝置為用于生成氣泡的毛細管(圖1b)和氣泵，還有用于調整毛細管具體位置的三自由度微操平臺，如圖1c所示。

圖1 氣泡生成與控制裝置

平臺搭建好后，先通過調節三自由度微操平臺，把毛細管末端調整到顯微鏡的觀測范圍內，將毛細管與氣泵連接，調整氣泵使其輸出壓力不斷增大，記錄輸出壓力值同時顯微鏡的攝像頭視頻記錄氣泡變化的過程，如圖2所示。圖2a所示為氣泡隨著壓力不斷變化的過程；定量分析氣泡隨著壓力變化的過程，首先對氣泡的形狀進行幾何描述。可以把在毛細管末端的氣泡視作球體的一部分，即用球缺來描述，如圖2b所示，變量R表示某一壓力下生成的氣泡的曲率半徑,變量H為相對應氣泡的高度，變量d為生成氣泡的毛細管的內管口直徑；圖2c為氣泡隨內壓力增大對應的參數R和H的變化，隨著氣泡內壓力增大，氣泡高度變大，曲率半徑變小，即輸入壓力p1R2。為了描述氣泡三維空間上變化情況，用變量S來描述某一壓力下氣泡表面積，用變量V描述氣泡表面積所圍成的體積。

圖2 氣泡隨著氣壓增大變化過程

球缺體積計算公式：

(1)

式中，V—— 氣泡的體積

H—— 氣泡的高度

R—— 曲率半徑

球缺表面積(不含圓截面)，即氣泡表面積：

S=2πRH

(2)

氣泡隨著壓力的增大而變化，壓力增大到氣泡不再穩定即將破裂為止。通過顯微攝像機視頻記錄隨壓力增大氣泡變化的過程，并同時記錄氣泵輸入壓力值。通過ImageJ軟件，對視頻記錄的氣泡進行測量，得到壓力對應生成氣泡的高度H、曲率半徑R的值，再應用式(1)、式(2)計算氣泡的表面積S與體積V。

2 氣泡變化過程特性分析

實驗用3根末端管口內直徑分別為200，280，360 μm 的毛細管進行氣泡生成，在壓力不斷升高的過程中，3根不同直徑毛細管生成氣泡的幾何形狀隨壓力的變化情況，如圖3所示。

圖3a為氣泡的曲率半徑與氣泡內壓力的定量關系，氣泡的曲率半徑R隨著氣泡內壓力p增大不斷減小；如圖3b所示，隨著壓力p的增大，氣泡的高度H也逐漸增加，且2個變量之間存在明顯的線性關系，毛細管生成氣泡的高度與壓力曲線的斜率不變，說明在用小尺寸毛細管氣壓法生成氣泡時，通過控制氣壓值即可平穩控制氣泡形狀；如圖3c、圖3d所示，在氣泡生成的前期，隨著內壓力p不斷增大，氣泡的體積V和表面積S也在不斷增加壓力與兩者之間為明顯的線性關系；但在氣泡生成后期，過大壓力使氣泡不在穩定，所以氣泡的體積和表面積在后期會有突然增加的現象；如圖3e，氣泡的表面積體積比S/V隨著內部壓力p增大不斷下降，說明隨著壓力增大體積力逐漸作為主導；圖3f為3根管生成的氣泡隨著壓力p增大，氣泡體積V與其表面積S關系曲線，圖中曲線的斜率即為氣泡表面積體積比，小尺寸毛細管生成的氣泡表面積體積比更大。實驗結果證明了在微尺度下，通過氣泵的氣壓控制，可以精確而平穩的用毛細管生成單個微尺度氣泡。

圖3 氣泡形狀隨壓力變化情況

3 氣泡執行器實驗

為了測量氣泡作為執行器時，與實驗對象相互作用過程中輸出力的大小，并且研究在這個過程中氣泡的形狀和其輸出力之間的關系，本研究設計一項氣泡與懸臂梁的相互作用實驗，如圖4所示。實驗示意圖如圖4a所示，以微尺寸懸臂梁作為參照物，穩定存在毛細管末端的氣泡推壓豎直懸臂梁自由端。在氣泡不斷推進懸臂梁自由端過程中，懸臂梁會不斷的發生偏移。根據懸臂梁純彎曲公式計算氣泡輸出力F的值：

(3)

式中，E—— 楊氏模量

I—— 懸臂梁的慣性矩

L—— 懸臂梁的長度

w—— 懸臂梁的位移

實驗所用懸臂梁為一塊長方形透明膠帶，如圖4b所示其楊氏模量E=0.013×1011Pa，長5459 μm，寬586 μm，厚度82 μm。懸臂梁事先放置在培養皿內，垂直于培養皿底面且其底部被固定。將培養皿注水，水量至少沒過懸臂梁自由端。在毛細管末端生成單個內壓力定值的氣泡，調整毛細管末端氣泡到懸臂梁自由端附近。通過三自由度微操作平臺逐步調整毛細管的位置，使氣泡逐步推向懸臂梁的末端，使懸臂梁發生偏轉，G為毛細管末端到起始點的距離，毛細管的位移為ΔG，懸臂的位移為Δw，如圖4a所示。

圖4 氣泡懸臂梁相互作用示意圖與實物圖

實驗所用毛細管內徑為500 μm，首次生成的氣泡持續處于壓力為989 Pa狀態。由于輸入氣壓為定值，氣泡形狀不變且穩定存在毛細管末端(圖4b左)。調整毛細管的位置，使氣泡不斷靠近并擠壓懸臂梁的末端使其偏轉(圖4b右)，直到氣泡被擠壓到毛細管內。之后將毛細管退回到初始位置，增大氣泡內壓力到1113 Pa，重復第一次氣泡推懸臂梁的過程。

圖5為氣泡執行器輸出特性。如圖5a所示，氣泡在與懸臂梁相互作用過程中，由于氣體可壓縮性，氣泡高度H隨著毛細管的位移ΔG增加而減小，兩者之間存在明顯的線性關系，也體現出氣泡作為執行器所具有的柔性特點，其次，可以看出，同一根毛細管生成的單個穩定氣泡，氣泡內壓力越高，毛細管初始高度H值更大，氣泡在執行力過程中，氣泡可壓縮的范圍更大，毛細管的位移ΔG更大；圖5b為氣泡擠壓懸臂過程中，毛細管的位移ΔG與氣泡輸出力F的變化曲線，兩者之間呈現明顯的線性關系。氣泡輸出力F隨毛細管的位移ΔG的變化可視為氣泡作為執行器時，衡量執行器靈敏度大小的依據。由于氣泡輸出力F隨毛細管的位移ΔG線性增加，所以氣泡內壓力越高，氣泡可輸出力的極值越大。壓力為989 Pa時氣泡的最大輸出力為174.34 μN，壓力為1113 Pa時氣泡的最大輸出力為211.3 μN。

圖5 氣泡執行器輸出特性

4 結論

本研究提供了一種通過單個微尺度氣泡來實現柔性施力微尺度操作方法——基于單個氣泡柔性執行器。本研究經過實驗驗證與數據分析，得出結論如下：

(1) 毛細管連接氣泵生成單個微尺度氣泡，通過調節氣壓可以精確控制氣泡生成及其形狀，所用毛細管口徑越小，調節氣壓對氣泡生成控制效果越精確；

(2) 毛細末端生成的單個穩定氣泡作為執行器時，毛細管的位移與氣泡輸出力之間存在明顯的線性關系，氣泡輸出力與氣泡高度承線性關系，同一口徑毛細管，生成的氣泡的內壓強越大，作執行器時，氣泡輸出力最大值越大。