SEM下纳米构件操作的接触机理及操作方法研究

纳米操作是纳米技术的重要内容，是国际机器人学和纳米科技领域受到广泛关注的热点研究领域。高效、可靠和适应性强的纳米操作系统在光电、信息存储及医疗等领域具有广阔的应用前景。本项目以研究纳米操作的新方法和搭建纳米操作的新平台为目标，对SEM环境下的纳米构件操作的接触机理、操作方法展开研究：在分析SEM下纳构件操作过程中粘着力变化规律和计算方法的基础上，揭示SEM下纳米构件操作的接触机理；研究纳米构件的操作角度、操作点和粘着力之间的关系，探索SEM下基于粘着力控制的纳米构件移动、定位和拾取方法及控制策略；分析SEM二维图像的特点，研究SEM纳米操作环境的三维可视化方法；最后，基于SEM搭建主从遥纳操作平台，借助力反馈三维可视化虚拟操作环境对所研究机理、方法进行验证。项目的研究有利于进一步认识纳观操作构件接触机理，提高纳米操作的人机交互性能、实时性和效率，促进纳操作与遥操作的结合和三维纳米操作实现。

本项目在分析了SEM下影响操作过程的主导力--范德华力作用机理的基础上，建立了纳米构件操作的粘着接触模型，分别从纳米线与基底、探针与操作基底、探针与纳米线的受力状况进行分析。采用Lammps建立了典型纳构件操作的动力学模型并进行了模拟操作。揭示了SEM下纳米构件操作的接触机理；在对探针的运行策略进行研究的基础上，找出了探针的最优运行路径，提出了基于粘着力和推动力控制的纳米线主动操作策略，并提出了基于模糊自整定PID的闭环探针控制方法；提出了SEM二维纳米操作图像的三维特征信息提取算法和快速三维重建方法；在研究基于单视角SEM图像的纳米构件位姿信息和探针快速三维信息提取方法的基础上，实现了基于SEM二维纳米操作图像的三维特征信息提取和三维纳米操作环境的快速重建；最后完成了虚拟三维环境与力觉反馈主手的Omega.3映射，搭建了虚拟力觉反馈主从遥纳操作平台并开展了一系列实验，实验过程中采用所研究的探针运行策略验证了所搭建的虚拟三维纳米操作环环境、虚拟力觉反馈以及闭环纳米操作方法的有效性。. 结合本项目的研究，已发表学术相关论文9篇（另有SCI源刊录用2篇），已发表论文中SCI期刊检索3篇，EI期刊检索3篇，EI会议检索1篇，核心期刊2篇；项目研究成果已申请发明专利2项；培养硕士研究生5名，其中已毕业3名，在读2名（将于2015年3月答辩）；在本项目的支持和资助下，项目负责人于2013年6月入选了哈尔滨理工大学拔尖人才培养计划并成为了中国微米纳米技术学会的高级会员，同年9月破格晋升教授。在本项目对SEM环境下单纳米构件操作成果的基础上，项目负责人下一步将展开对多纳米构件的操作模型、纳米线断裂模拟模型以及对环境中存在的多操作工具、多操作对象情况下的SEM二维图像的三维信息提取算法的研究。