CN114644381A - 一种精准治理污水的纳米机器人 - Google Patents
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Abstract
发明涉及一种精准治理污水的纳米机器人，包括仿生本体、探针，仿生本体内装设有过氧化氢燃料，多个探针连接在仿生本体头部上；仿生本体头部的锥形头的后端面处具有Pt催化层，过氧化氢燃料经管筒输送至Pt催化层后发生催化分解，催化分解后释放氧气和氢气时给锥形头形成向前的力，形成牵引；还包括仿生本体中部的驱动、引导设置，以及仿生本体尾部的驱动、引导设置。本发明达到的有益效果是：可控性高、能对各部位分别进行精准控制、能够根据实际情况进行自转和前进、动力大，还能实现监测和治理的一体化。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米机器人技术领域，特别是一种精准治理污水的纳米机器人。
背景技术
微纳米机器人由于体积小，能够无损穿过生物组织等特点，因此在生物医学、环境检测和处理等多个领域具有非常重要的潜在作用。
目前，微纳米机器人，通常是通过微纳米马达来实现驱动的，微纳米马达在溶液中随时间不断变化呈现无规则运动，但通过磁场、超声、光、电等方法能够实现对微纳米马达的导航和速度的精准调空，从而使得在现实应用中成为可能。
但是，目前的微纳米马达的导航控制并没有达到理想的精确控制，作为核心的微纳米马达不能精确控制，那么纳米机器人的性能也势必受到影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可控性高、能对各部位分别进行精准控制、能够根据实际情况进行自转和前进、动力大的精准治理污水的纳米机器人。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种精准治理污水的纳米机器人，包括：
仿生本体，其内装有纳米马达，纳米马达内装有过氧化氢燃料；
用于多种污水处理的探针，其包括由自组装的烷基硫醇构成的长链、烷基硫醇的极性头部官能团，其连接在仿生本体的头部处。
进一步地，所述的探针，其极性头部官能团，根据不同的污水情况来选择，其外层包括但不限于以下枝链层：
修饰Au/Ni/pt枝链层，用于清除污水中的油性液体；
伴刀豆凝集素A接枝，用于清理大肠杆菌；
修饰Mg-Au Janu，用于清理有机物；
修饰Pt-Fe，用于清理染料废水；
修饰表面修饰凝血酶-ATP，用于清理蛋白质；
修饰有特异性单链DNA，用于清理核酸；
高水溶性氨基葡萄糖祸合哇琳/罗丹明基团，用于络合汞离子。
可选地，所述的仿生本体的头部为锥形头；仿生本体，其头部大于其中部，其头部与其中部相连；仿生本体的中部，其前端的表面上开有流出孔；
锥形头的后端面处具有Pt催化层，过氧化氢燃料经管筒输送至Pt催化层后发生催化分解，催化分解后释放氧气和氢气时给锥形头形成自驱动。
进一步地，所述的锥形头包括多个锥形层叠合而成；多个锥形层叠合时，从内至外依次为Pt催化层、Fe-Ni磁性层、Ti惰性层、Au薄层。
进一步地，所述的纳米马达通过管筒经流出孔引至锥形头处；
管筒的前端经含有偶氮苯的材质封闭，紫外线照射偶氮苯来实现管筒的开闭，从而控制管筒输送过氧化氢的开闭，从而实现引导控制。
可选地，所述的仿生本体，其中部设置处的外表面处设置有齿轮，齿轮每个齿的同顺时针侧/逆时针侧沉积有铂层；当齿轮上的铂层与过氧化氢接触时，将过氧化氢催化分解为水和氧气，形成自驱动，于是实现本体的转动。
可选地，所述的仿生本体上嵌设有磁性的段或层；由柔性的铂—金—银—锡纳米线构成，其中铂—金段负责催化，而金—银—锡段负责磁场驱动，使催化与磁驱动模式之间快速简单的切换；
所述的仿生本体不对称设置，由于铂—金段的存在，仿生本体发生自转动。
可选地，所述的仿生本体上嵌设有磁性的段或层；所述的仿生本体上，具有装饰连接处，用于选择性的装载和运输货物。
可选地，所述的仿生本体，其尾部处装有氟碳乳液燃料，其尾部还连接有喷气结构；
在超声波作用下，氟碳乳液燃料被汽化，从喷气结构中喷出，从而推动纳米机器人高速运动。
进一步地，所述的喷气结构包括多个尾管，尾管内嵌有磁层，通过磁场控制尾管的摆动方向，控制纳米机器人前进的方向；所述的尾管呈DNA链状。
可选地，所述的仿生本体，其尾部装有聚二甲基硅氧烷，其尾部还连接有仿生尾；
仿生本体的尾部处，还设置有含有偶氮苯的表层，其将内部的聚二甲基硅氧烷封闭；
仿生尾处，具有Pt层；
在紫外线的照射下，含有偶氮苯的表层打开，让聚二甲基硅氧烷释放，从而与仿生尾处的Pt层进行催化反应，形成反冲击；
在可见光照射下，含有偶氮苯的表层关闭。
进一步地，所述的仿生本体呈仿生鱼状。
本发明具有以下优点：
用于不同污水的探针的设置，能够根据污水的具体情况，进行精准治理；
通过反应条件与运动速度的关系，能够对溶液中物质的含量、反应条件进行定量监测；并且运动速度降低时，在污染处停留时间长，能重复对污水进行处理，实现监测和治理的一体化；
(3)仿生本体，各个不同的部位，通过多种不同形式进行驱动，实现对各部位动作的精准控制，从而提高动作和引导精度，同时还提高运动速度；
(4)锥形头的结构，既能通过过氧化氢与Pt催化层的的作用，实现前进；
又能通过，Fe-Ni磁性层，通过磁场能够进行引导；
并且，还通过分子梭来进行控制；
(5)在仿生本体嵌有磁性的段或层，而仿生本体的不对称设置，使得仿生本体能够自转动；
同时仿生本体的磁性的段或层，还能通过磁场牵引；
(6)在仿生本体中部，通过设置齿轮以及齿轮齿上的沉淀Pt层，让齿轮转动，从而实现纳米机器人的悬浮；
(7)在尾部有两者设计，一种是通过紫外线光的条件，让聚二甲基硅氧烷与Pt层反应，进行推动；
或者通过超声波条件，引导氟碳乳液燃料汽化，实现推动，并且推动速度及其快；此外，尾管还设有磁层，通过外加磁场，能够控制尾管的摆动，利于精准控制纳米机器人的前进方向；
(8)氧化物溶液中加入肼或银离子，提高纳米或马达的速度和驱动力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明的另一角度结构示意图；
图4为本发明尾部通过尾管驱动的结构示意图；
图5为图4内部的结构示意图；
图中：1-仿生本体，2-探针，3-长链，4-极性头部官能团，5-齿轮，6-螺旋状尾部，7-纳米马达，8-管筒，9-锥形头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1～图3所示，一种精准治理污水的纳米机器人，包括仿生本体1、多个探针2；其中，仿生本体1内装设有纳米马达7，纳米马达7内装有过氧化氢燃料；多个探针2连接在仿生本体1头部上。
本方案中，探针2其包括由自组装的烷基硫醇构成的长链3、烷基硫醇的极性头部官能团4，其连接在仿生本体1的头部处。其中，其极性头部官能团4，根据不同的污水情况来选择，其外层包括但不限于以下枝链层：修饰Au/Ni/pt枝链层，用于清除污水中的油性液体；伴刀豆凝集素A接枝，用于清理大肠杆菌；修饰Mg-Au Janu，用于清理有机物；修饰Pt-Fe，用于清理染料废水；修饰表面修饰凝血酶-ATP，用于清理蛋白质；修饰有特异性单链DNA，用于清理核酸；高水溶性氨基葡萄糖祸合哇琳/罗丹明基团，用于络合汞离子。当然，在仿生本体1的表面，同样可以设置相应的枝链层。
本实施例中，仿生本体1的头部为锥形头9，锥形头8的后端面处具有Pt催化层，纳米马达7内的过氧化氢通过管筒8引至锥形头9处。过氧化氢燃料经管筒8输送至Pt催化层后发生催化分解，催化分解后释放氧气和氢气时给锥形头9形成向前的力，形成牵引。
进一步地，锥形头8包括4层叠合而成；从内至外依次为Pt催化层、Fe-Ni磁性层、Ti惰性层、Au薄层。
更进一步地，在Pt催化层掺杂碳纳米管，提高速度。具体地，管状微马达的内部pt表面对过氧化氢燃料催化分解，生成的氧气气泡产生连续推进力；推动马达向前运动；过氧化物燃料通过管前端的小开口进入微型锥管中，微管腔内的铂催化层激；活过氧化氢燃料分解，产生氧气，并随之成核形成气泡，一旦气泡从马达后方的出口分离，微马达便保持管内没有气泡的原始形状以迎接下一个运动循环(不断重复，从而使机器人能在低雷诺数下运动)。
再进一步地，仿生本体1的中部的前端处开有流出孔，锥形头9大于仿生本体1中部的前端，纳米马达7内的过氧化氢筒管筒8排出，然后经过流出孔与锥形头8上的Pt催化层接触。
本实施例中，仿生本体11的中部表面，还设置有装饰连接处，可用于选择性的装载和运输货物，选择性的加载相应的功能，加载组装后在进行定向运输。
为了控制方向，在仿生本体1中，也嵌设有磁性的段或层，再结合外部磁场的引导来实现。将较短的具有磁性的金属(镍)段嵌入到纳米马达中，该磁性段可以在垂直于纳米线长轴的横向外部磁场下磁化。通过磁场控制运动方向，可控制纳米马达沿着预定的轨迹运动。本体沿着预定轨迹被磁场精确引导和转向，让纳米马达在复杂的微通道网络中沿着预定的路径定向运动，实现在微芯片节点外的磁性分选。利用磁性取向，更好的可视化比较各种实验参数对马达速度的影响。
并且仿生本体1不对称设置。由于铂—金段的存在，过氧化氢与仿生本体1上铂—金段接触时，不同位置的分解程度不一样，导致生产气泡的多少不一样，那么形成力的不平衡，从而使仿生本体1发生自转。
本实施例中，为了提高速度，在过氧化物溶液中加入肼或银离子，提高纳米或马达的速度和驱动力。速度从5.0pum/s增加至94.0pum/s，速度显著提高近20倍。
可选地，一种精准治理污水的纳米机器人，还对管筒8的开闭进行了设计，纳米马达7通过管筒8经流出孔引至锥形头9处。
具体地，有两种设计方式，一种是：管筒8的前端经含有偶氮苯的材质封闭，紫外线照射偶氮苯来实现管筒8的开闭，从而控制管筒8输送过氧化氢的开闭，从而实现引导控制。
另一种是：在管筒8本身具有多个释放口，释放口处还设置有分子梭；通过分子梭的开闭，实现释放口的开闭，实现管筒8输送过氧化氢的开闭，从而实现锥形头9的引导控制，用于控制纳米机器人是否驱动动作。
具体地，分子梭包括环部分、直线部分，直线部分从环部分穿过，且直线部分的两端具有阻挡基团；直线部分的一个阻挡基团位于管筒8的释放口内，另一个阻挡基团另一端设有催化反应腔，催化反应腔内装有ATP燃料和已糖激酶。分子梭工作时：在紫外线照射下，ATP燃料会结合和水解，于是会推动相应的阻挡基团，使得直线部分推动另一端的阻挡基团动作；当没有紫外线的情况下，已糖激酶会将ATP的酶进行降解，于是直线部分又往回动作。
需要说明的是，为了让紫外线顺利照射，相应位置处设有透明材质。
可选地，一种精准治理污水的纳米机器人，对仿生本体1中部的驱动还进行了设计。
具体地，仿生本体1的中部设置处的外表面处设置有齿轮5，齿轮5每个齿的同顺时针侧/逆时针侧沉积有Pt层。从仿生本体1的过氧化氢燃料释放时，使得水中也有过氧化氢燃料，当齿轮5上的Pt层与过氧化氢接触时，过氧化氢被分解，于是实现齿轮5的转动。
可选地，一种精准治理污水的纳米机器人，对仿生本体1的尾部还进行了另一种设计，如图2所示。
具体地，仿生本体1的尾部装有聚二甲基硅氧烷，其尾部还连接有仿生尾。而在仿生本体1的尾部处，还设置有含有偶氮苯的表层，其将内部的聚二甲基硅氧烷封闭；仿生尾处，具有Pt层。
工作时，在紫外光的照射下，含有偶氮苯的表层打开，让聚二甲基硅氧烷释放，从而与仿生尾处的Pt层进行催化反应，形成反冲击；在可见光照射下，含有偶氮苯的表层关闭。
可选地，一种精准治理污水的纳米机器人，对仿生本体1的尾部处进行了另一种设计，如图4和图5所示。
具体地，仿生本体1的尾部处装有氟碳乳液燃料，其尾部还连接有喷气结构；在超声波作用下，氟碳乳液燃料被汽化，从喷气结构中喷出，从而推动纳米机器人高速运动。
本实施例中，喷气结构包括多个尾管6，尾管6内嵌有磁层，通过磁场控制尾管6的摆动方向，控制纳米机器人前进的方向。
进一步地，尾管6呈DNA螺旋状。
需要说明的是，上述体积的仿生本体1呈仿生鱼状。
需要说明的是，通过反应条件与运动速度的关系，能够对溶液中物质的含量、反应条件进行定量监测；并且运动速度降低时，在污染处停留时间长，能重复对污水进行处理，实现监测和治理的一体化。
例如，当存在重金属、农药等有毒物质时，过氧化氢的催化反应程度降低，从而导致运动速度慢，反应了水体中有毒物质的分布。
上述实施例仅表达了较为优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：包括：
仿生本体(1)，其内装有纳米马达(7)，纳米马达(7)内装有过氧化氢燃料；
用于多种污水处理的探针(2)，其包括由自组装的烷基硫醇构成的长链(3)、烷基硫醇的极性头部官能团(4)，其连接在仿生本体(1)的头部处。
2.根据权利要求2所述的一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：所述的探针(2)，其极性头部官能团(4)，根据不同的污水情况来选择，其外层包括但不限于以下枝链层：
修饰Au/Ni/pt枝链层，用于清除污水中的油性液体；
伴刀豆凝集素A接枝，用于清理大肠杆菌；
修饰Mg-Au Janu，用于清理有机物；
修饰Pt-Fe，用于清理染料废水；
修饰表面修饰凝血酶-ATP，用于清理蛋白质；
修饰有特异性单链DNA，用于清理核酸；
高水溶性氨基葡萄糖祸合哇琳/罗丹明基团，用于络合汞离子。
3.根据权利要求1所述的一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：所述的仿生本体(1)的头部为锥形头(8)；
仿生本体(1)，其头部大于其中部，其头部与其中部相连；
仿生本体(1)的中部，其前端的表面上开有流出孔；
锥形头(8)的后端面处具有Pt催化层，过氧化氢燃料经管筒(3)输送至Pt催化层后发生催化分解，催化分解后释放氧气和氢气时给锥形头(8)形成自驱动。
4.根据权利要求3所述的一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：所述的锥形头(8)包括多个锥形层叠合而成；
多个锥形层叠合时，从内至外依次为Pt催化层、Fe-Ni磁性层、Ti惰性层、Au薄层。
5.根据权利要求3或4所述的一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：所述的纳米马达(7)通过管筒(8)经流出孔引至锥形头(9)处；
管筒(8)的前端经含有偶氮苯的材质封闭，紫外线照射偶氮苯来实现管筒(8)的开闭，从而控制管筒(8)输送过氧化氢的开闭，从而实现引导控制。
6.根据权利要求1所述的一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：所述的仿生本体(1)，其中部设置处的外表面处设置有齿轮(5)，齿轮(5)每个齿的同顺时针侧/逆时针侧沉积有铂层；当齿轮(5)上的铂层与过氧化氢接触时，将过氧化氢催化分解为水和氧气，形成自驱动，于是实现本体(1)的转动。
7.根据权利要求1所述的一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：所述的仿生本体(1)上嵌设有磁性的段或层；由柔性的铂—金—银—锡纳米线构成，其中铂—金段负责催化，而金—银—锡段负责磁场驱动，使催化与磁驱动模式之间快速简单的切换；
所述的仿生本体(1)不对称设置，由于铂—金段的存在，仿生本体(1)发生自转动。
8.根据权利要求1所述的一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：所述的仿生本体(1)的尾部处，其内装有聚二甲基硅氧烷，其尾部还连接有仿生尾；
仿生本体(1)的尾部处，还设置有含有偶氮苯的表层，其将内部的聚二甲基硅氧烷封闭；
仿生尾处，具有Pt层；
在紫外光的照射下，含有偶氮苯的表层打开，让聚二甲基硅氧烷释放，从而与仿生尾处的Pt层进行催化反应，形成反冲击；
在可见光照射下，含有偶氮苯的表层关闭。
9.根据权利要求1所述的一种精准治理污水的纳米机器人，其特征在于：所述的仿生本体(1)的尾部处，装有氟碳乳液燃料，其尾部还连接有喷气结构；
在超声波作用下，氟碳乳液燃料被汽化，从喷气结构中喷出，从而推动纳米机器人高速运动；
所述的喷气结构包括多个尾管(6)，尾管(6)内嵌有磁层，通过磁场控制尾管(6)的摆动方向，控制纳米机器人前进的方向；
所述的尾管(6)呈螺旋状。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210443929.6A CN114644381A (zh) | 2022-04-25 | 2022-04-25 | 一种精准治理污水的纳米机器人 |
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|---|---|
| CN114644381A true CN114644381A (zh) | 2022-06-21 |
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| CN (1) | CN114644381A (zh) |
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- 2022-04-25 CN CN202210443929.6A patent/CN114644381A/zh active Pending
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