基于冷凝液滴的微构件操作机理与柔顺控制方法研究

Micromanipulation technology is a key for microsystem system manufacture, such as inertial confinement fusion (ICF) micro target assembly, micro-robot assembly, etc. Micro-component is characterized as light weight, crisp texture and high adhesion, which is one of the bottlenecks to achieve nondestructive and reliable operation. In order to solve this problem, we focus on the operation mechanism and flexible method for micro-components micromanipulation based on droplet condensation. This project starts from the exploration of formation mechanism of the condensed droplet on an integrated hydrophobic probe tip. Models of droplet growth during water condensation on integrated hydrophobic surface is established to reveal the cooling control parameters and structure parameters on the influence law of micro droplet formation. Accordingly, the problem of real-time droplet acquisition can be solved. In the flexible method of micro-object picking, a novel capillary microgripping method based on water condensation is investigated. To achieve controllable pick and posture adjustment using capillary, liquid bridges are modeled during condensation process to investigate capillary force change due to condensation control. Release strategy of droplet auxiliary with self-alignment function based on water condensation is investigated, and model of self-alignment is established to solve offset problems after release. The condensation microactuator is developed and integrated, micromanipulation experiments (pick-and-place) are conducted using a customized micromanipulation system. The proposed project provides a new theoretical foundation and research method for nondestructive, reliable operation of micro-component.

微构件操作技术是惯性约束核聚变（ICF）微靶装配、微型机器人组装等微系统制造的关键手段。微构件质量轻、质地脆、粘附力大的特点是实现无损、可靠操作的瓶颈之一，针对这一难题，本项目开展基于冷凝液滴的微构件操控机理与柔顺控制方法研究。从多指微执行器疏水端面冷凝液滴生成机理的探索出发，建立冷凝液滴生长模型，揭示冷凝控制参数和结构参数对微液滴形成的影响规律，解决操作液滴实时控制的问题；研究基于冷凝液滴粘着控制的新型柔顺微构件拾取方法，建立冷凝进程中液桥作用模型，探究冷凝控制的液桥调节能力，解决毛细力柔顺拾取和位姿调整的可控性问题；研究具有自校准功能的冷凝液滴辅助释放策略，建立冷凝液滴动态校准模型，解决辅助液滴的获取和释放后的偏移问题；研制基于冷凝控制的多指微执行器，并构建柔顺微操作机器人系统，实现微构件的可控柔顺操作，为微尺度器件的无损、可靠操作提供新的理论、思路、方法和关键技术。

微尺度下的操作构件一般薄、轻、小，具有质量轻、质地脆、粘附力大等特点。微尺度构件的精细化对操控进程有严格的出力要求，否则易造成微构件表面局部应力集中，使微构件变形，甚至损坏，成为微尺度构件操作必须解决的问题成。可控柔顺的微构件拾取、调整、释放方法是保证微构件无损精细操控的关键。结合冷凝液滴控制和微操作机器人技术，本项目由多指微执行器疏水端面冷凝液滴生成机理的探索入手，研究基于冷凝粘着控制的新型柔顺微构件操作方法，研制基于冷凝控制的作业工具，实验研究微构件的柔顺拾取、调整、释放操控。.针对操作液滴的稳定获取，建立微执行器疏水端面冷凝液滴生长模型，分析影响微液滴冷凝生成的因素。探究冷凝进程中微液滴的移动特性，阐明影响稳定液滴获取的温度梯的影响规律，为毛细力操作所需液滴的获取奠定理论基础。针对微构件的拾取和释放的操作需求，提出基于液滴粘着控制的微构件可控拾取和释放方法，建立不同结构配置方式（凹面-球面、平面-平面等）的液桥作用模型，揭示液桥参数、探针数量等因素对液桥力的影响规律。提出基于神经网络的液桥力预测方法，实现操作进程中液桥力的实施反馈。研究基于自校准的微构件释放方法，揭示偏移量、辅助液滴体积与自校准能力之间的基本关系，为微构件释放后偏移的自校准提供理论指导。制作多指冷凝微执行器，开发包含精密运动控制模块、显微视觉模块和冷凝控制模块的微操作机器人实验系统。针对不同形状、不同尺度的微构件（如特征尺寸10-200μm的聚苯乙烯微球、特征尺寸约1mm的微型硅晶片等），开展微构件的三维拾取、调整、释放操作实验，验证操作机理和所提出柔顺控制方法的有效性。.本项目研究成果将为微尺度器件的无损、可控操作提供理论基础和新思路，为微操作工具的研制提供新的技术和手段，具有重要的理论意义和实用价值。