微纳米机器人概论
出版时间:
2022-02
版次:
1
ISBN:
9787512436466
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其他
开本:
16开
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胶版纸
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本书详细介绍微纳米机器人的设计、加工以及驱动控制系统。全书共分为8章,前3章主要针对微纳米机器人研究方向的基础知识、相关技术、设计原则等进行介绍,并对实际应用中遇到的问题及其解决方案进行概要性阐述;第4章介绍典型微型机器人系统的研究现状、主要技术等,同时选取以胶囊机器人和昆虫为模板的微型机器人进行详细而系统的介绍。第5~7章主要介绍几大典型的场驱动的微纳米机器人系统。书中侧重于几大物理场驱动方式,包括磁场(永磁、电磁、梯度场、匀强场)、光场(光镊、光电镊)、声场(表面波、体波)等物理场非接触驱动方式,并详细阐述从基础理论到微型机器人的设计加工方法以及典型应用。后,基于典型物理场驱动方式,在第8章集中介绍活性生物材料基的微纳米机器人在医学领域的研究内容。
本书层次清晰,内容精炼,详细叙述了微纳米机器人设计中应用到的科学知识,书中给出的典型案例涉及多学科(如机械、电子、自动化、生物、物理、化学等多个学科)的交叉融合,适合于机械工程、微机电系统、生物医学工程以及机器人领域相关专业的高等院校本科生以及研究生作为教材使用。 第1章 绪 论…………………………………………………………………………………… 1
1.1 微纳米机器人系统概述 ………………………………………………………………… 2
1.1.1 微纳米技术概述 …………………………………………………………………… 2
1.1.2 微纳米机器人系统概述 …………………………………………………………… 5
1.2 微纳米机器人操控系统相关研究 ……………………………………………………… 7
1.2.1 显微操作 …………………………………………………………………………… 7
1.2.2 电子显微镜内的微纳米操作 ……………………………………………………… 8
1.3 微纳米机器人系统的应用领域 ………………………………………………………… 8
1.3.1 医学领域 …………………………………………………………………………… 8
1.3.2 能源、军事、环境等领域 ………………………………………………………… 10
1.4 课后习题………………………………………………………………………………… 12
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 12
第2章 微纳米机器人相关基础知识 ………………………………………………………… 16
2.1 微纳尺度的机械力学…………………………………………………………………… 16
2.2 微纳尺度电子学………………………………………………………………………… 17
2.2.1 静电力 …………………………………………………………………………… 17
2.2.2 介电力(介电泳) ………………………………………………………………… 17
2.2.3 电泳力 …………………………………………………………………………… 18
2.2.4 光致介电泳 ……………………………………………………………………… 18
2.3 微纳尺度的流体力学…………………………………………………………………… 19
2.3.1 布朗运动 ………………………………………………………………………… 19
2.3.2 扩散现象 ………………………………………………………………………… 19
2.3.3 雷诺数 …………………………………………………………………………… 19
2.3.4 斯托克斯流 ……………………………………………………………………… 20
2.3.5 毛细现象 ………………………………………………………………………… 20
2.4 课后习题………………………………………………………………………………… __________20
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 21
第3章 微纳米机器人系统的相关技术 ……………………………………………………… 22
3.1 微观纳米尺度的材料科学……………………………………………………………… 22
3.1.1 接触角理论模型 ………………………………………………………………… 22
3.1.2 亲水性材料 ……………………………………………………………………… 23
3.1.3 疏水性材料 ……………………………………………………………………… 23
3.2 微观纳米尺度的显微镜科学…………………………………………………………… 25
3.2.1 光学显微镜 ……………………………………………………………………… 27
3.2.2 电子显微镜 ……………………………………………………………………… 28
3.2.3 扫描探针显微镜 ………………………………………………………………… 29
3.3 微型纳米尺度的制造技术……………………………………………………………… 33
3.3.1 光刻技术 ………………………………………………………………………… 33
3.3.2 3D打印技术 ……………………………………………………………………… 33
3.3.3 微流体芯片加工制造技术 ……………………………………………………… 36
3.3.4 自组装技术 ……………………………………………………………………… 37
3.4 微纳米尺度中驱动技术………………………………………………………………… 38
3.5 课后习题………………………………………………………………………………… 42
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 42
第4章 胶囊机器人 …………………………………………………………………………… 46
4.1 背 景…………………………………………………………………………………… 46
4.2 市场上成功的商业胶囊机器人………………………………………………………… 47
4.2.1 胶囊机器人使用环境特性 ……………………………………………………… 47
4.2.2 典型胶囊机器人产品 …………………………………………………………… 47
4.3 无线通信原理…………………………………………………………………………… 49
4.3.1 无线频谱 ………………………………………………………………………… 49
4.3.2 传输天线 ………………………………………………………………………… 50
4.3.3 无线传输特性 …………………………………………………………………… 50
4.3.4 无线传输路径 …………………………………………………………………… 51
4.3.5 无线传输技术 …………………………………………………………………… 52
4.4 胶囊机器人系统组成…………………………………………………………………… 53
4.4.1 运动系统 ………………………………………………………………………… 53
4.4.2 图像采集系统 …………………………………………………………………… 57
4.4.3 无线图像传输系统 ……………………………………………………………… 58
4.4.4 诊断和治疗的工具系统 ………………………………………………………… 60
4.4.5 能源供应系统 …………………………………………………………………… 62
4.4.6 定位系统 ………………………………………………………………………… 62
4.5 微型生物机器人………………………………………………………………………… 62
4.5.1 微型生物机器人概述 …………………………………………………………… 63
4.5.2 神经电刺激原理 ………………………………………………………………… 63
4.5.3 无线遥测技术 …………………………………………………………………… 65
4.5.4 昆虫机器人 ……………………………………………………………………… 66
4.5.5 拓展应用 ………………………………………………………………………… 72
4.6 小 结…………………………………………………………………………………… 77
4.7 课后习题………………………………………………………………………………… 78
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 79
第5章 磁场驱动的微纳米机器人系统 ……………………………………………………… 85
5.1 磁场的基本概念和原理………………………………………………………………… 85
5.1.1 磁性和磁化 ……………………………………………………………………… 85
5.1.2 磁场的发生和驱动原理 ………………………………………………………… 86
5.1.3 磁性执行器实例分析 …………………………………………………………… 88
5.2 永磁体作为驱动源的磁执行器系统…………………………………………………… 90
5.2.1 执行系统的微流控芯片环境 …………………………………………………… 91
5.2.2 以生物细胞/组织为操作目标的磁执行器 ……………………………………… 99
5.2.3 以为操作目标的永磁执行器 ………………………………………… 101
5.3 电磁线圈作为驱动源的磁执行器系统 ……………………………………………… 104
5.3.1 电磁系统搭建 …………………………………………………………………… 105
5.3.2 梯度场驱动 ……………………………………………………………………… 107
5.3.3 振荡磁场驱动 …………………………………………………………………… 108
5.3.4 旋转磁场驱动 …………………………………………………………………… 111
5.3.5 机器人集群运动 ………………………………………………………………… 114
5.4 课后习题 ……………………………………………………………………………… 116
参考文献……………………………………………………………………………………… 116
第6章 光场驱动微操作系统………………………………………………………………… 124
6.1 光 镊 ………………………………………………………………………………… 124
6.1.1 基本概念及原理 ………………………………………………………………… 124
6.1.2 光镊发展及分类 ………………………………………………………………… 128
6.1.3 典型应用案例 …………………………………………………………………… 128
6.2 光电镊 ………………………………………………………………………………… 134
6.2.1 基本概念和原理 ………………………………………………………………… u8230 '3134
6.2.2 光电镊发展 ……………………………………………………………………… 138
6.2.3 典型应用案例 …………………………………………………………………… 140
6.3 课后习题 ……………………………………………………………………………… 145
参考文献……………………………………………………………………………………… 145
第7章 声波驱动微纳米机器人系统………………………………………………………… 150
7.1 声学及流体力学基本概念和原理 …………………………………………………… 150
7.1.1 声学基本理论 …………………………………………………………………… 150
7.1.2 流体力学基本理论 ……………………………………………………………… 155
7.1.3 声流理论 ………………………………………………………………………… 159
7.1.4 声辐射力 ………………………………………………………………………… 160
7.2 声波驱动微纳米机器人系统案例 …………………………………………………… 162
7.2.1 基于声辐射力的微纳驱动与执行 ……………………………………………… 162
7.2.2 基于声流的微纳驱动与执行 …………………………………………………… 163
7.3 课后习题 ……………………………………………………………………………… 170
参考文献……………………………………………………………………………………… 170
第8章 生物基微纳米机器人………………………………………………………………… 172
8.1 生物微纳米机器人 …………………………………………………………………… 172
8.1.1 基于生物杂交细菌的主动给药微纳机器人 …………………………………… 173
8.1.2 基于真核细胞的药物递送微纳机器人 ………………………………………… 173
8.1.3 细胞基微纳机器人面临的挑战与未来展望 …………………………………… 178
8.2 生物膜伪装纳米颗粒微纳米机器人 ………………………………………………… 178
8.2.1 红细胞膜伪装的微纳米机器人 ………………………………………………… 179
8.2.2 血小板膜伪装的微纳米机器人 ………………………………………………… 180
8.2.3 外泌体伪装的微纳米机器人 …………………………………………………… 182
8.3 生物相容性微纳米机器人 …………………………………………………………… 183
8.3.1 可变形高分子载体 ……………………………………………………………… 184
8.3.2 可变形蛋白载体 ………………………………………………………………… 185
8.3.3 DNA折纸机器人 ……………………………………………………………… 185
8.4 仿生微纳米机器人 …………………………………………………………………… 186
8.4.1 生物结构及运动机制分析 ……………………………………………………… 188
8.4.2 集群和自组织行为 ……………………………………………………………… 192
8.5 课后习题 ……………………………………………………………………………… 194
参考文献……………………………………………………………………………………… 194
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内容简介:
本书详细介绍微纳米机器人的设计、加工以及驱动控制系统。全书共分为8章,前3章主要针对微纳米机器人研究方向的基础知识、相关技术、设计原则等进行介绍,并对实际应用中遇到的问题及其解决方案进行概要性阐述;第4章介绍典型微型机器人系统的研究现状、主要技术等,同时选取以胶囊机器人和昆虫为模板的微型机器人进行详细而系统的介绍。第5~7章主要介绍几大典型的场驱动的微纳米机器人系统。书中侧重于几大物理场驱动方式,包括磁场(永磁、电磁、梯度场、匀强场)、光场(光镊、光电镊)、声场(表面波、体波)等物理场非接触驱动方式,并详细阐述从基础理论到微型机器人的设计加工方法以及典型应用。后,基于典型物理场驱动方式,在第8章集中介绍活性生物材料基的微纳米机器人在医学领域的研究内容。
本书层次清晰,内容精炼,详细叙述了微纳米机器人设计中应用到的科学知识,书中给出的典型案例涉及多学科(如机械、电子、自动化、生物、物理、化学等多个学科)的交叉融合,适合于机械工程、微机电系统、生物医学工程以及机器人领域相关专业的高等院校本科生以及研究生作为教材使用。
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目录:
第1章 绪 论…………………………………………………………………………………… 1
1.1 微纳米机器人系统概述 ………………………………………………………………… 2
1.1.1 微纳米技术概述 …………………………………………………………………… 2
1.1.2 微纳米机器人系统概述 …………………………………………………………… 5
1.2 微纳米机器人操控系统相关研究 ……………………………………………………… 7
1.2.1 显微操作 …………………………………………………………………………… 7
1.2.2 电子显微镜内的微纳米操作 ……………………………………………………… 8
1.3 微纳米机器人系统的应用领域 ………………………………………………………… 8
1.3.1 医学领域 …………………………………………………………………………… 8
1.3.2 能源、军事、环境等领域 ………………………………………………………… 10
1.4 课后习题………………………………………………………………………………… 12
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 12
第2章 微纳米机器人相关基础知识 ………………………………………………………… 16
2.1 微纳尺度的机械力学…………………………………………………………………… 16
2.2 微纳尺度电子学………………………………………………………………………… 17
2.2.1 静电力 …………………………………………………………………………… 17
2.2.2 介电力(介电泳) ………………………………………………………………… 17
2.2.3 电泳力 …………………………………………………………………………… 18
2.2.4 光致介电泳 ……………………………………………………………………… 18
2.3 微纳尺度的流体力学…………………………………………………………………… 19
2.3.1 布朗运动 ………………………………………………………………………… 19
2.3.2 扩散现象 ………………………………………………………………………… 19
2.3.3 雷诺数 …………………………………………………………………………… 19
2.3.4 斯托克斯流 ……………………………………………………………………… 20
2.3.5 毛细现象 ………………………………………………………………………… 20
2.4 课后习题………………………………………………………………………………… __________20
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 21
第3章 微纳米机器人系统的相关技术 ……………………………………………………… 22
3.1 微观纳米尺度的材料科学……………………………………………………………… 22
3.1.1 接触角理论模型 ………………………………………………………………… 22
3.1.2 亲水性材料 ……………………………………………………………………… 23
3.1.3 疏水性材料 ……………………………………………………………………… 23
3.2 微观纳米尺度的显微镜科学…………………………………………………………… 25
3.2.1 光学显微镜 ……………………………………………………………………… 27
3.2.2 电子显微镜 ……………………………………………………………………… 28
3.2.3 扫描探针显微镜 ………………………………………………………………… 29
3.3 微型纳米尺度的制造技术……………………………………………………………… 33
3.3.1 光刻技术 ………………………………………………………………………… 33
3.3.2 3D打印技术 ……………………………………………………………………… 33
3.3.3 微流体芯片加工制造技术 ……………………………………………………… 36
3.3.4 自组装技术 ……………………………………………………………………… 37
3.4 微纳米尺度中驱动技术………………………………………………………………… 38
3.5 课后习题………………………………………………………………………………… 42
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 42
第4章 胶囊机器人 …………………………………………………………………………… 46
4.1 背 景…………………………………………………………………………………… 46
4.2 市场上成功的商业胶囊机器人………………………………………………………… 47
4.2.1 胶囊机器人使用环境特性 ……………………………………………………… 47
4.2.2 典型胶囊机器人产品 …………………………………………………………… 47
4.3 无线通信原理…………………………………………………………………………… 49
4.3.1 无线频谱 ………………………………………………………………………… 49
4.3.2 传输天线 ………………………………………………………………………… 50
4.3.3 无线传输特性 …………………………………………………………………… 50
4.3.4 无线传输路径 …………………………………………………………………… 51
4.3.5 无线传输技术 …………………………………………………………………… 52
4.4 胶囊机器人系统组成…………………………………………………………………… 53
4.4.1 运动系统 ………………………………………………………………………… 53
4.4.2 图像采集系统 …………………………………………………………………… 57
4.4.3 无线图像传输系统 ……………………………………………………………… 58
4.4.4 诊断和治疗的工具系统 ………………………………………………………… 60
4.4.5 能源供应系统 …………………………………………………………………… 62
4.4.6 定位系统 ………………………………………………………………………… 62
4.5 微型生物机器人………………………………………………………………………… 62
4.5.1 微型生物机器人概述 …………………………………………………………… 63
4.5.2 神经电刺激原理 ………………………………………………………………… 63
4.5.3 无线遥测技术 …………………………………………………………………… 65
4.5.4 昆虫机器人 ……………………………………………………………………… 66
4.5.5 拓展应用 ………………………………………………………………………… 72
4.6 小 结…………………………………………………………………………………… 77
4.7 课后习题………………………………………………………………………………… 78
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 79
第5章 磁场驱动的微纳米机器人系统 ……………………………………………………… 85
5.1 磁场的基本概念和原理………………………………………………………………… 85
5.1.1 磁性和磁化 ……………………………………………………………………… 85
5.1.2 磁场的发生和驱动原理 ………………………………………………………… 86
5.1.3 磁性执行器实例分析 …………………………………………………………… 88
5.2 永磁体作为驱动源的磁执行器系统…………………………………………………… 90
5.2.1 执行系统的微流控芯片环境 …………………………………………………… 91
5.2.2 以生物细胞/组织为操作目标的磁执行器 ……………………………………… 99
5.2.3 以为操作目标的永磁执行器 ………………………………………… 101
5.3 电磁线圈作为驱动源的磁执行器系统 ……………………………………………… 104
5.3.1 电磁系统搭建 …………………………………………………………………… 105
5.3.2 梯度场驱动 ……………………………………………………………………… 107
5.3.3 振荡磁场驱动 …………………………………………………………………… 108
5.3.4 旋转磁场驱动 …………………………………………………………………… 111
5.3.5 机器人集群运动 ………………………………………………………………… 114
5.4 课后习题 ……………………………………………………………………………… 116
参考文献……………………………………………………………………………………… 116
第6章 光场驱动微操作系统………………………………………………………………… 124
6.1 光 镊 ………………………………………………………………………………… 124
6.1.1 基本概念及原理 ………………………………………………………………… 124
6.1.2 光镊发展及分类 ………………………………………………………………… 128
6.1.3 典型应用案例 …………………………………………………………………… 128
6.2 光电镊 ………………………………………………………………………………… 134
6.2.1 基本概念和原理 ………………………………………………………………… u8230 '3134
6.2.2 光电镊发展 ……………………………………………………………………… 138
6.2.3 典型应用案例 …………………………………………………………………… 140
6.3 课后习题 ……………………………………………………………………………… 145
参考文献……………………………………………………………………………………… 145
第7章 声波驱动微纳米机器人系统………………………………………………………… 150
7.1 声学及流体力学基本概念和原理 …………………………………………………… 150
7.1.1 声学基本理论 …………………………………………………………………… 150
7.1.2 流体力学基本理论 ……………………………………………………………… 155
7.1.3 声流理论 ………………………………………………………………………… 159
7.1.4 声辐射力 ………………………………………………………………………… 160
7.2 声波驱动微纳米机器人系统案例 …………………………………………………… 162
7.2.1 基于声辐射力的微纳驱动与执行 ……………………………………………… 162
7.2.2 基于声流的微纳驱动与执行 …………………………………………………… 163
7.3 课后习题 ……………………………………………………………………………… 170
参考文献……………………………………………………………………………………… 170
第8章 生物基微纳米机器人………………………………………………………………… 172
8.1 生物微纳米机器人 …………………………………………………………………… 172
8.1.1 基于生物杂交细菌的主动给药微纳机器人 …………………………………… 173
8.1.2 基于真核细胞的药物递送微纳机器人 ………………………………………… 173
8.1.3 细胞基微纳机器人面临的挑战与未来展望 …………………………………… 178
8.2 生物膜伪装纳米颗粒微纳米机器人 ………………………………………………… 178
8.2.1 红细胞膜伪装的微纳米机器人 ………………………………………………… 179
8.2.2 血小板膜伪装的微纳米机器人 ………………………………………………… 180
8.2.3 外泌体伪装的微纳米机器人 …………………………………………………… 182
8.3 生物相容性微纳米机器人 …………………………………………………………… 183
8.3.1 可变形高分子载体 ……………………………………………………………… 184
8.3.2 可变形蛋白载体 ………………………………………………………………… 185
8.3.3 DNA折纸机器人 ……………………………………………………………… 185
8.4 仿生微纳米机器人 …………………………………………………………………… 186
8.4.1 生物结构及运动机制分析 ……………………………………………………… 188
8.4.2 集群和自组织行为 ……………………………………………………………… 192
8.5 课后习题 ……………………………………………………………………………… 194
参考文献……………………………………………………………………………………… 194
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