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磁微机器人及其在微流体系统中的应用
一、摘要
本文研究了微流控系统中微机器人的电磁场设计与控制方法。微机器人可以沿着微通道移动到所需位置，并且通过改变磁扭矩，微机器人也可以在微流体芯片中旋转。作为微机器人的应用，它被用作移动微混合器在微流控芯片中混合两种溶液，实验结果验证了其有效性。
关键词：微机器人;磁力驱动;微流控;微混合器
二、背景
Microrobot是机器人领域的热门研究领域。使用微型机器人作为体内手术的工具具有创伤小，安全可靠，显着降低医疗费用和康复时间等优点，因此进入人体液体环境并进行体内检测和治疗[1-3] 是微机器人的重要发展方向。近来，许多关于微机器人的研究已经为微机器人实现了许多不同的驱动方法，例如电磁致动器[4,5], 化学气泡执行器[6,7], 游泳尾部执行器[8-10], 细菌执行器[11-13], 等等。特别是，电磁驱动方法具有许多优点。首先，通过改变电磁线圈的电流，可以使用电磁场来驱动具有高控制能力的微机器人。其次，磁场不会对人体造成伤害或副作用。
在磁控微机器人的研究中，Bradley J. Nelson的小组受到细菌鞭毛的自然设计的启发，提出了一种人工细菌鞭毛微型机器人[14]使用弱磁场可以以可控的方式游泳。鞭毛微型机器人由一个螺旋尾部和一个小软磁材料组成，一端为头部。鞭毛微型机器人的螺旋推进可以通过电磁线圈精确控制。他们还提出了使用3D激光光刻作为用于靶向细胞递送的运输微机器人的多孔微型激光器[15]. Metin Sitti提出了一种由磁力矩驱动的微型机器人。它可以通过两对亥姆霍兹线圈和一对带有粘滑运动的夹紧线圈来控制[16]. 水平运动由亥姆霍兹线圈控制，夹紧线圈产生粘滑运动的驱动信号。苏霍公园提出了一种由磁力控制的微机器人。驱动系统由两对亥姆霍兹线圈和两对麦克斯韦线圈组成[17]. 磁力由麦克斯韦线圈提供，亥姆霍兹线圈用于产生微机器人旋转的扭矩。然而，在操纵微型机器人探索人体时，仍有许多工作需要完成。
为了控制微机器人以实现人体内部液体环境中的特定功能，有必要首先控制微机器人在模拟血管的微流体环境中的运动。由于微流体系统具有有效的微观功能区以及精确的流速控制，因此可以很好地模拟血管液环境[18].
本文研究了外部电磁场控制的微机器人的设计与制作，提出了微流控系统中微机器人运动的控制方法。该微机器人可沿微通道移动到所需位置。通过改变磁扭矩，微机器人也可以在微流体芯片中旋转。作为微机器人的应用，它可以用作微流体芯片中的移动微混合器。
图1微流体系统中微机器人的磁驱动系统。
三、方法、理论模型
为了研究微机器人在微流体系统中的运动，分析了作用在微机器人上的力和磁场的作用。微机器人被设计成半球形结构并位于磁驱动系统中，该驱动系统具有四个独立的控制电磁线圈。系统结构如图1所示机器人悬浮在液体中，重力等于浮力。所以力分析主要是在水平方向。当微型机器人浸入液体中时，磁力是机器人的主要驱动力。粘性力与微机器人的速度有关系：
图2微型机器人悬浮在液体中的力分析。
（a）微机器人的侧视图。在水平方向上作用在微机器人上的力是磁力和粘性力。在垂直方向上，当微型机器人悬挂在通道中时，浮力和重力相等。（b）微型机器人的俯视图。磁力可以在x，y方向上分解成两个分量。
其中v是微机器人的速度。浸入液体中的微型机器人的力分析如图2所示。
在水平方向上，阻力抵抗微机器人的运动。为了操纵微机器人，输入磁力必须克服阻力：
Fge;Fd （2）
其中F是施加在微机器人上的磁力，Fd是流体的阻力。磁力由下式给出：
其中V是磁性微机器人的体积，M是磁性微机器人的均匀磁化，B是磁通量。nabla;是梯度算子：
只考虑在xy平面，磁力可以表示为以下矢量形式：
nabla;B的反对角线可以被认为是0，并且Mx和My同时是磁场中的常数。因此，方向和力的主要因素是part;Bx/part;x和part;By/part;y。为了产生所需的梯度磁场，需要磁线圈。由流过圆形电磁线圈的电流产生的磁场可以通过Biot-Savart定律计算如下：
图3模拟xy平面中产生的磁场
（a）顶部电磁线圈产生的磁场。（b）由顶部和右侧电磁线圈产生的磁场。黑色箭头表示由两个线圈产生的合成磁力。
其中I是通过线圈的电流，L是积分路径，r是从线元素到需要计算场的点的全位移矢量，dl是通过线的电流的微分元素的矢量，mu;0是磁导率（mu;0=4pi;times;10-7H / m）。
为了精确地操纵微机器人，必须很好地控制电磁线圈产生的磁场。微机器人被放置在由四个电磁线圈包围的受控区域中，并且每个电磁线圈可以被精确地控制为ac根据PC当前的输出情况。四个线圈可以单独控制或一起控制。COMSOL多物理场用于模拟磁场和电磁线圈产生的力。
图3示出了由xy平面中的电磁线圈产生的磁场的模拟。它是四个线圈的俯视图。图3a显示了顶部电磁线圈产生的磁场;箭头的长度和方向分别表示磁场的强度和方向。数字3b 表示由顶部和右侧电磁线圈产生的磁场;黑色箭头表示由顶部和右侧电磁线圈产生的合成磁力。通过控制磁场，可以调节合成磁力的强度和方向;因此，现场的微机器人可以在飞机上自由移动。
图4微机器人制造过程。
- 使用弯曲微型机器人模具的雕刻机。（b）将磁性PDMS放入模具中。（c）脱气和治疗。（d）从模具中取出微型机器人。
微机器人和系统配置微机器人的制造
聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有很大的可塑性，并且可以根据所需的尺寸，形状等成形为任何结构。微型机器人由磁性PDMS制成。为了制备磁性PDMS，将磁性微粒添加到PDMS中。微机器人是半球形结构，半径为750mu;m。数字4 显示了微机器人的主要制作过程：
- 使用雕刻机（Benchtop Engravers EGX-600/400，Roland DGA Corporation，Irvine，CA，USA）将微型机器人的模具从丙烯酸板中雕刻出来，该雕刻机配备有直径为200mu;m的铣刀。
- 将聚二甲基硅氧烷及其固化剂以10：1的质量比混合，然后搅拌30分钟。
- 将NdFeB磁性微粒放入混合的PDMS中，然后将它们放入微型机器人的模具中。
- 在真空箱中脱气30分钟以去除气泡。
- 将微型机器人放入烘箱中，在60°C下加热3小时。
- 在磁性PDMS固化后，用镊子从模具中取出微型机器人。
设置磁力驱动系统
磁力驱动系统包括PC，视觉采集摄像头，数据采集卡（NI PCI-6229 DAQ卡，National Instruments，Austin，TX，USA），直流电源，空芯电磁线圈阵列，微米三维定位阶段和功放。电磁线圈支撑在铝框架上，不会因其非磁性导电特性而影响磁场。电磁线圈，微米三维定位平台和功率放大器组装在带有散热器的铝质平台上。该平台的原理图如图所示5.
图5磁力驱动平台示意图。
- 一系列空芯电磁线圈。（2）微米三维定位阶段。（3）控制区域。（4）功率放大器。
表1线圈参数
|
线圈 |
线圈转 |
内径半径/外侧半径（mm） |
铜线直径（mm） |
电阻（Omega;） |
|
x轴 |
250 |
43.5/56.5 |
0.51 |
5 |
|
y轴 |
250 |
62/75 |
0.51 |
6.5 |
表中描述了电磁线圈的详细说明. 整个磁力驱动系统的图片如图6所示.
图6整个磁力驱动系统
微机器人的位置信息由视觉采集相机获取并发送到PC。LabVIEW编程的控制算法处理位置信息并生成输出信号，然后将其发送到数据采集卡。输出信号通过功率放大器放大，以产生所需的磁场。当使用操纵杆指向期望的方向时，电磁线圈产生所需的磁力以控制微机器人。微流体系统中的微机器人被放置在电磁线圈中心的微米三维定位台上。磁驱动系统的硬件连接如图所示7.
图7磁力驱动系统的硬件连接。
四、结果和讨论
微机器人的运动控制
为了研究微机器人在微流体通道中的运动，设计并制作了具有十字形通道的微流控芯片。将氯化钾溶液添加到微流体通道中，因此微型机器人可以悬浮在通道中。微流控芯片中的溶液处于静止状态。将微流体芯片放置在微米三维定位台上，并调节定位台，使得微流体芯片位于磁驱动系统的控制区域中。微流体芯片的宽度和深度均为3mm。数字8 显示了由操纵杆控制的微流体芯片中微机器人的运动。微机器人位于微流体芯片的最左侧。当使用操纵杆控制微型机器人移动到中心时，右侧的电磁线圈会产生磁力。然后控制微机器人移动到顶部。
图8微型机器人在完全静态的十字形微流体通道中的运动。
微流体芯片的宽度和深度均为3mm。微机器人是半球形磁性PDMS，半径为750mu;m。
由于磁力，微机器人开始在通道中移动。在初始情况下，磁力大于液体粘性力，随着微机器人速度的增加;流体粘性力逐渐增加，直到磁力等于液体粘性力。微机器人达到平衡。
微机器人的速度由磁力决定，并且可以通过改变电磁线圈中的电流来改变磁力。数字9 显示不同电流值下的速度。随着电流的增加，微机器人的速度逐渐增加，因此可以通过改变电流来精确控制微机器人。
图9 微型机器人的速度以及电磁线圈中的电流
微机器人可用作移动微混合器
微机器人可以移动到微流控芯片中的任何位置并且可以被控制以产生旋转运动，因此微机器人可以用作微流体芯片中的移动微混合器。
在现有的微流体微混合研究中，已经开发了两种主要的微混合技术来提高混合效率：被动和主动微混合。被动微混合通常具有复杂设计的微通道，特殊的几何形状[19], 或其他复杂的障碍[20] 增加与液体的接触。主动微混合主要依赖于在微流体系统外施加的物理场。根据外部施加的物理场，有源微混合器主要分为超声波混合[21], 磁力混合[22,23], 等等。有源微混合通常花费更少的时间并且具有更简单的结构。在本文中，提出了一种新的移动有源微混合器。可以控制通过入口通过移液管注入微流体芯片的磁微机器人在微流体芯片中沿着通道移动，并且当达到期望的位置时，它可以旋转以完成作为移动有源微混合器的混合功能。为了证明微型机器人可以用作移动式微混合器，我们制造了一个微流控芯片并通过混合两种溶液进行比较，使用和不使用磁性移动有源微混合器。微流体芯片是PDMS玻璃芯片，用于在实验室中混合。混合室的深度和半径分别为1.2和3mm。将无色氯化钾溶液和红色颜料加入混合室中进行自然混合，并通过视觉采集相机记录该过程。数字10 显示了自然混合的过程。自然混合主要依赖于液体分子的扩散。扩散完成需要81秒。
图10氯化钾溶液和红色颜料的自然混合
在自然混合的相同条件下，微机器人通过微通道移动（图中混合室的左侧）11）进入微流体芯片的混合室，然后开始以2Hz的频率顺时针旋转以加速混合速度。数字11 显示了与微机器人混合的过程。完成混合只需32秒。
图11微型机器人在混合室中混合的过程
微型机器人以2 Hz的频率顺时针旋转。黑色圆圈表示微型机器人的位置，
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