CN108584868A - 一种sem下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案 - Google Patents

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李东洁
王倩倩
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    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0061—Methods for manipulating nanostructures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
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Abstract

一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案。SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台的研究将为纳尺度构件的稳定操作提供理论基础和实用方法，对促进我国NEMS、生物工程、光电工程、纳米科学等领域相关研究的进一步发展具有重要的理论和现实意义。项目所进行的工作属基础性研究，主要着重在机理、方法方面，为纳观尺度构件的实时、高效及三维可视化操作提供相关的理论、方法和控制策略，能从根本上促进纳米操作技术的发展和实用化，具有重要的理论意义和实用价值，为***向生物工程、光电工程、信息存储等领域的产业化提供平台。

Description

一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案
技术领域
本发明属于微纳操作，具体涉及一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案。
背景技术
纳米操作是在纳观尺度上通过施加外部场能使微纳器件按照人的意愿进行移动、定位、拾取/释放、整形等操纵以及装配与封装等作业，实现对整个微观世界的有效控制，是微/纳制造科学与技术研究的重要内容之一，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。纳米操作***在微/纳米尺度功能器件探索和制造过程中发挥着日益重要的作用，利用纳米操作技术制造可靠性好、适应性强、技术附加值高、市场回报率大于传统产业的微/纳产品，在机电工程、光电、信息存储、医疗、生物工程、材料工程、纳米仿生以及军事等领域具有广阔的应用前景。
由于纳米操作对象的尺寸由微米尺度延伸到纳米尺度，在操作过程中由尺寸不断减小而产生的尺度效应、表面/界面效应和量子效应起主导作用；另外，机械、电磁、热、流体等多场的耦合作用使得在微/纳操作中呈现出诸多与宏观操作不同的现象和特点，给微/纳操作技术带来了巨大挑战和诸多科学技术问题。由于操作对象尺度上的特殊性，实现自动化、批量化操作还存在很多理论和实际问题。因此，在基于分子动力学理论对纳尺度对象操作进行模拟的基础上研究纳米构件的操控方法具有重要的理论意义和实用价值。另外，由于纳观操作环境的非结构化特点和纳操作的尺度效应，使纳米操作过程中的力觉交互显得尤为重要。对纳米操作来说，相比于位置传感器，微力觉传感器是更好的解决方案；但用于微纳操作，尤其是纳米尺度操作的力传感器制作非常困难、制作成本极高且极易损坏。因此，在非结构化的纳米操作环境中，如果可以获知或者模拟(如利用AR或VR技术)微纳尺度构件的力觉信息，并将这些信息数据通过合适的缩放比传递到操作者的感知范围内，实现力觉反馈，操作者便可以合理的调整微纳构件的操作角度和操作力度，使操作/装配更加精确和稳定。因此将遥操作技术引入微纳操作，拓宽了操作者在微纳操作领域的感知能力和操作能力。另外，借助虚拟3D视觉和虚拟力觉交互来引导纳米操作，可以提高纳米操作***的人机交互能力和纳米操作的实时性、准确性及精度。
发明内容
本发明以研究纳米构件操作的新方法为目标，对SEM环境下纳米构件的闭环操控方法和SEM二维纳米操作环境的实时三维可视化展开研究：具体研究内容如下。
所述的SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台，使用分子动力学模拟纳米构件的操作过程，建立操作角度、操作点和单步位移量的最佳匹配关系，从理论上解决纳构件移动、定位及拾取的效率和成功率问题，并提出基于SEM二维图像的三维闭环纳米操作控制方法和虚拟纳米操作环境的建模方法。
所述的基于二维SEM图像的三维特征信息的提取方法，利用二维SEM图像的兴趣区域的模糊度评价函数来获取目标深度信息，基于Simulink建立末端执行机构的模糊PID控制模型进行仿真，最后利用所获取的信息实现基于模糊PID的三维闭环纳米操作控制；将只有二维图像转化为三维可视化纳米操作环境，提高了操作者的感知能力。
所述的三维可视化纳米操作环境，不仅为操作者提供实时的图像信息，还可以实现在对新的控制方法和算法的虚拟预测预演满意之后，控制实际平台自动进行纳米操作，在节约大量研究经费的同时大大缩短了研究周期，为实现纳米操作的全自动化奠定了基础。
所述的基于二维SEM图像的三维闭环纳米操作的控制，在大幅降低操作平台成本的同时使操控过程更加稳定、可靠，有利于提高纳米操作的控制精度和可靠性。
所述的虚拟纳米操作环境的建模方法，在Lammps中建立纳米构件的模型；根据所提取出的三维特征信息，借助VR技术，以VS 2008为主开发环境，采用3dsMax和OpenGL联合建模，快速建立探针和构件的动态骨骼模型。
最后利用所搭建的基于SEM的主从遥纳操作平台，借助虚拟纳米操作模型对所研究的方法进行验证。
本发明有益效果。
从应用趋势来看，现有的纳米粒子操作技术由于受操作对象的限制，其操作成本高、应用范围窄，利用纳米构件操作技术制造可靠性好、适应性强、技术附加值高的微/纳产品，在光电、信息存储、医疗、生物技术、纳米仿生以及军事等领域具有广阔的应用前景，有望为信息、生物等领域提供赖以发展的关键技术。
研究纳米构件操作过程中粘着力的变化规律，分析实现纳尺度构件转移、定位及拾取的粘着条件。
研究基于二维SEM图像的三维特征信息提取方法和基于所获取信息的纳米构件闭环操控方法，实现高效、可靠的纳米操作。
搭建兼顾操作效率、实时性、人机交互及操作环境三维可视化的纳米操作平台。
附图说明
图1是总体技术路线图。
图2分子动力学模型。
图3是尖与样品间的距离Z与针尖与样品间的作用力F(Z)之间的关系示意图。
图4是纳米构件示意图。
本发明的具体实施方式。
实施例1。
所述的SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台，使用分子动力学模拟纳米构件的操作过程，建立操作角度、操作点和单步位移量的最佳匹配关系，从理论上解决纳构件移动、定位及拾取的效率和成功率问题。
分析查找构件的物理特性和实验参数，在Lammps中建立纳米构件的模型；通过对力学参数的设定，分析纳米构件的弹性、塑性、断裂特性，从不同的操作角度和操作点对纳米构件模型进行操作，观察分析其对构件的性能影响，为纳米构件的移动、定位、拾取等操作过程中的粘着力影响研究提供理论根据。
选取碳纳米线和氧化锌纳米线作为被控对象，通过微力检测、操作过程的动态观察以及分子动力学分析进行模型的验证。
实施例2。
所述的基于二维SEM图像的三维特征信息的提取方法，利用二维SEM图像的兴趣区域的模糊度评价函数来获取目标深度信息，基于Simulink建立末端执行机构的模糊PID控制模型进行仿真，最后利用所获取的信息实现基于模糊PID的三维闭环纳米操作控制；将只有二维图像转化为三维可视化纳米操作环境，提高了操作者的感知能力。
准确获取操作工具(探针)的位置信息无论是对从端样本的直接操作还是对虚拟环境的重建来说十分关键。由于从端SEM的样本腔内没有安装额外的测量装置或传感器，实时的二维SEM图像则成为遥纳操作***中最重要的伺服来源，它是操作工具与操作对象三维坐标信息的提取的依据。
根据纳米构件操作的SEM图像的特点，将应用边缘检测算法和腐蚀膨胀完成探针的X-Y平面定位；对探针Z向坐标(深度)的获取，从纳米操作过程中特有的纳观力变化(如图3所示)引起的操作图像变化入手，分析纳构件操作的“非接触—过渡—接触”的二维SEM图像特点，提出应用兴趣区域内图像灰度值方差来构造SEM图像的模糊度评价函数，通过计算图像局部结构的数字特征，表来达全局信息，即图像模糊程度，在不增加其他硬件设备的情况下，采用较少数量的SEM图像，达到较好的检测效果。
基于Matlab的Simulink建立末端执行机构的模糊PID控制模型进行仿真，在验证控制器算法及参数设置合理的基础上，根据所获取的三维特征信息，采用模糊PID对***进行闭环控制。
实施例3。
所述的虚拟纳米操作环境的建模方法，在Lammps中建立纳米构件的模型；根据所提取出的三维特征信息，借助VR技术，以VS 2008为主开发环境，采用3dsMax和OpenGL联合建模，快速建立探针和构件的动态骨骼模型。
以纳米构件操作的接触机理模型为依据，研究虚拟纳米操作的接触碰撞和非接触碰撞检测算法，将其分为探针与操作基底、纳米线与操作基底及探针与纳米线间三部分分别进行研究，然后进行整合。
进一步研究力觉渲染算法，在用Matlab验证力觉渲染算法合理的前提下采用Chia3d力觉渲染引擎进行渲染。
对于操作平台的搭建，首先采用现代控制理论对主从遥纳操作***进行建模，分析***的稳定性；在此基础上研究基于力觉反馈设备Omega3和纳米定位平台Attocube的主从遥纳操作平台的构建。
采用理论和实验相结合的方法研究稳定主从遥纳操作大缩放比的实现，建立虚拟操作环境与实际纳米操作平台的映射。
将主从遥纳操作***和三维可视化虚拟操作环境融合，完成具有虚拟力觉反馈的三维可视化主从遥纳操作平台的搭建。
基于所搭建的平台，大量开展不同温度下，不同表面粗糙度的操作基底和不同尺寸的碳纳米线、氧化锌纳米线等典型样品的移动、定位和拾取的实验研究，与分析和仿真计算的结果对照，进一步修正理论模型，从而确保操控方法的可行性。

Claims (4)

1.一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案，其特征在于，用分子动力学模拟纳米构件的操作过程，建立操作角度、操作点和单步位移量的最佳匹配关系，从理论上解决纳构件移动、定位及拾取的效率和成功率问题。
2.一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案，其特征在于，提出了基于二维SEM图像的兴趣区域的模糊度评价函数来获取目标深度信息的方法，基于所获取的信息，提出基于SEM二维图像的三维闭环纳米操作控制方法；将只有二维反馈图像的SEM纳米操作环境三维可视化，提高了操作者的感知能力；
所述的三维可视化纳米操作环境不仅为操作者提供实时的图像信息，还可以实现在对新的控制方法和算法的虚拟预测预演满意之后，控制实际平台自动进行纳米操作，在节约大量研究经费的同时大大缩短了研究周期，为实现纳米操作的全自动化奠定了基础。
3.一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案，其特征在于，研究基于二维SEM图像的闭环纳米操作的控制方法，在大幅降低操作平台成本的同时使操控过程更加稳定、可靠，有利于提高纳米操作的控制精度和可靠性。
4.一种SEM下纳米构件闭环操控方法及操作平台设计方案，其特征在于，研究具有力觉临场感和预测预演功能的主从遥纳操作平台可以大大提高纳米操作的人机交互性能、成功率和效率，节约大量的研制时间和经费，并为纳米操作的自动化奠定基础；有利于促进纳操作与遥操作的结合，开拓纳米操作控制的新方式。
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