一种液体环境下的微型机器人推进装置

本发明涉及微型机器人领域，具体涉及适用于液体环境下的微型机器人推进装置。

背景技术：

基于体积小、可操控性强、便于人体植入等优势，液体环境下的微型机器人备受期望应用于生物医学领域，未来实现对人体病灶组织的定向给药及治疗。

目前，科学家已成功探索出借助外部物理场诸如电场、磁场、声场、光或化学反应等实现对适用于液体环境的微型机器人进行驱动或操控。而考虑到与生物活体的兼容性，化学反应、电场展现出特有弊端，在为微型机器人提供能源与动力的众多方案中，超声驱动被认为是一种无损、高效、适用范围广的推进方法。

于2012年，公开了一种采用兆赫兹超声波驱动金属微棒在水溶液中游动的技术，其游动速度可达200μm/s。此后，更多的利用超声波作为驱动装置的相关技术被报道，如利用超声汽化驱动装有聚合物的微型管，利用超声驻波环形排列微型链条等。目前，现有微型机器人的超声推进方案推进速度大多为μm/s级别。

为了能够应用于对微型机器人的移动方向的精确控制有更高要求的场景，如上述生物医学领域的定向给药的场景，需要能够有易操控性的推进装置来推进微型机器人。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种液体环境下的微型机器人推进装置，适用于推进液体环境下的微型机器人，且具有易操控的特点。

一种推进装置，包括：

压电薄膜、插指电极、声能反射栅、基底，其中：

所述基底上表面具有偏心设置的向下的凹部形成的凹槽；

所述压电薄膜位于所述基底上方设置，且覆盖所述基底，所述压电薄膜位于所述凹槽的部分具有条形孔，所述条形孔与所述凹槽连通，使得位于所述凹槽上方的所述压电薄膜与所述凹槽形成开放性腔体，构成谐振腔；

所述插指电极布设于压电薄膜表面，所述插指电极与所述条形孔平行设置；

所述声能反射栅布设于压电薄膜表面，且位于所述插指电极的远离所述条形孔的一侧，所述声能反射栅与所述条形孔平行设置。

由上，本发明通过采取以上结构的设计可以极大地缩小该装置尺寸，具有易操控性的特性，可应用于生物医学领域的定向给药的场景。并且结构简单可靠、体积微小、能够实现晶圆级批量生产、高效率、可编程。

可选地，所述插指电极包括：布设于压电薄膜上表面的梳状顶部插指电极，布设于压电薄膜下表面的梳状底部插指电极；

所述顶部插指电极与所述底部插指电极反对称设置。

所述顶部插指电极总线接信号端，所述底部插指电极整体接地。

由上，谐振腔内外分布不同接线的插指电极，便于电信号控制该装置驱动。

可选地，所述声能反射栅包括：布设于压电薄膜上下表面，且对齐设置的若干独立的平行的金属板阵列，且平行于所述条形孔设置。

所述声能反射栅的宽度、电极覆盖率与插指电极相同。

可选地所述的推进装置，其特征在于，所述压电薄膜为以下之一材料构成：氮化铝、氧化锌、铌酸锂、压电石英压电陶瓷、或聚偏氟乙烯聚合物等；

由上，可根据制作需要选取对应的压电材料。

可选地，所述插指电极或声能反射栅为以下之一材料构成：钼、铝、或金。

由上，可根据制作需要选取对应的压电材料。

可选地，所述的推进装置，其特征在于：至少两个所述推进装置以一定倾角布设，或并排布设，形成推进装置阵列。

由上，可形成聚焦型结构，能够实现驱动能量的聚焦，产生更强烈的推进效果，多个推进器推进装置同时工作能够实现呈倍数增加的高效推动。

可选地，所述的推进装置，其特征在于，在一个平面内，至少三个所述推进装置阵列以中心对称方式布设，形成推进装置阵列组件。

由上，通过激励该二维平面上位于不同方向的并联推进器推进装置同时工作可以实现高效快速的微型机器人前进、后退、向左、向右运动模式。

可选地，所述的推进装置，其特征在于，在三维空间内，三个空间平面内的每个平面内至少布设有一个推进装置阵列组件。

由上，可以实现微型机器人在三维空间内前进、后退、向左、向右、升起、下落的运动模式，且多个推进器推进装置联同工作使得推进速度更快，推进效率成倍增长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1a为微型机器人推进装置的第一实施例的示意图；

图1b为图1a所示微型机器人推进装置沿垂直声能反射栅方向的剖面图；

图2为微型机器人推进装置的驱动的原理的第一示意图；

图3为微型机器人推进装置的驱动的原理的第二示意图；

图4为微型机器人推进装置的第二实施例的示意图；

图5为微型机器人推进装置的第三实施例的示意图；

图6为微型机器人推进装置的第四实施例的示意图；

图7为微型机器人推进装置的第五实施例的示意图。

下面对图中涉及的附图标记进行说明：1、压电薄膜，2、插指电极，3、声能反射栅，4、硅衬底，5、凹槽，6、条形孔，7、插指电极总线(其中s端为信号总线，g端为接地总线)，8、周围液体，9、行进方向的箭头，10、信号总线，11接地总线，12、推进装置阵列。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。结合说明书附图，对本发明具体技术方案进行详细说明。

【推进装置的第一实施例】

图1a示出了适用于液体环境下的微型机器人推进装置的第一实施例的示意图；图1b为图1a所示微型机器人推进装置沿垂直声能反射栅方向的剖面图。如图1a、图1b所示，该实施例中，本申请的适用于液体环境下的微型机器人推进装置包括：

压电薄膜1、插指电极2、声能反射栅3、硅衬底4、凹槽5、条形孔6、插指电极总线7(其中s端为信号总线，g端为接地总线)。上述各部件形成了改进的非对称结构的兰姆波谐振器。具体来说，该推进装置的结构如下：

硅衬底4作为兰姆波谐振器的支撑体，其具有偏心设置的向下的凹部形成凹槽5。本实施例中，硅衬底4呈矩形，从而使得该推进装置整体呈矩形。在其他实施例中，硅衬底4的形状也可以调整为梭形、椭圆形等形状，其基底材料也可为其他材料，如碳材料。

位于硅衬底4上方具有压电薄膜1，压电薄膜1覆盖硅衬底4的凹槽5，压电薄膜1位于所述凹槽5的一侧上方具有条形孔6，该条形孔6呈条形，且与凹槽5连通，使得硅衬底4的凹槽5上方的压电薄膜1处于悬空状态，所述压电薄膜1位于所述凹槽5上方所形成在条形孔6处开放性腔体，构成谐振腔。其中，压电薄膜1具有机械能与电能转换的特性(压电效应)，在收受到一定方向的外力或变形时，材料的极化面就会产生一定的电荷，可用于超声波的接收与发射。压电薄膜1可采用聚偏氟乙烯材料，或氮化铝、氧化锌、铌酸锂、压电石英压电陶瓷、材料制成。

插指电极2，其通过总线7连接，包括平铺于压电薄膜1上表面的梳状顶部插指电极2，以及与上表面的梳状顶部插指电极2反对称设置、且边缘对齐排列的平铺于压电薄膜1下表面的梳状底部插指电极2。所述插指电极2与所述条形孔6平行。其中，每对插指电极2分别通过总线7电连接至信号线s和接地线g，实现这两种总线间隔交错连接每对插指电极2。信号线s和接地线g可外接谐振信号发生装置。其中，上述硅衬底4的凹槽5上方的压电薄膜1上平铺有部分所述插指电极2，或者说插指电极2靠近条形孔6一侧布设。其中，插指电极2的材料可以为钼、铝或金等金属材料。上面以上、下插指电极同时存在为例进行说明，在一些其他实施例中，上下电极的电学连接形式可为其他形式，例如仅具有上插指电极的形式，或具有上插指电极、下部为整体接地的底电极的形式，或具有整体接地底电极、上电极通过供电方式实现空间周期成倍数缩小或放大的形式等。

声能反射栅3，且由若干独立的平行的金属板阵列构成，且平行于插指电极，金属板宽度、周期同插指电极相同，具体包括平铺于压电薄膜上表面的金属板反射栅阵列，和与上表面反射栅严格对齐平铺内嵌于压电薄膜下表面的金属板反射栅阵列。并且声能反射栅3未位于硅衬底4的凹槽5上方，即位于非凹槽处位置，并且远离所述条形孔6设置。其中，声能反射栅3的材料可以为钼、铝或金等金属材料。

其中，上述推进装置，即改进的兰姆波谐振器的谐振频率在10m至10g之间。

下面对该微型机器人推进装置的第一实施例的工作原理进行说明：

本申请基于非对称结构的新型兰姆波谐振器，利用其在液体环境下工作时激发的非对称声流效应，通过不同的结构设计，实现对微型机器人的可编程化驱动。具体的，如图2所示，当非对称结构兰姆波型推进装置以零阶对称模式(s0)共振时，激励的圆柱波以液体密度和压力的振动形式存在并传播到液体中。由于兰姆波型推进装置共振时不存在法向位移，振动激发的超声波将沿垂直于插指电极的方向传输到两侧边界。其中，超声波的速度场v1和压强场p1满足以下公式：

上述公式中，μ、μb、ρ0、κ分别表示周围液体的粘度、体积粘度、静态密度、绝热压缩系数。在上述公式的基础上可得到推进装置在条形孔附近声场的压力分布形式，可以以如下公式表示：

上述公式中，l为插指电极有效长度，x、y、z分别表示在垂直于电极条且远离推进装置方向、平行于电极条方向、垂直于推进装置平面方向的位移。

由于压电薄膜只在单侧具有条形孔，且其远离条形孔侧布置有声能反射栅阵列，因而在条形孔一侧会激发更强烈的声流效应，基于这种非对称式结构，实现对在液体环境下的微型机器人的单向推进。

下面进一步结合，如图2和图3所示，对上述推进装置的工作原理进行说明，当将单个推进装置置于液体环境下并为其提供谐振所需的射频交流能量，推进装置工作产生超声波向两侧传输，其中一侧直接传输至硅衬底4并被平铺于衬底上的声能反射栅3部分发射回原起始传播方向，另一侧通过条形孔6与周围液体8相互作用激发声流效应，利用两侧的非对称性产生单向驱动，图3中所示箭头9表示行进方向。当将推进装置放置于微型机器人重心附近，其会推动机器人向条形孔6一侧行进。

【推进装置的第二实施例】

如图4所示的推进装置的第二实施例，其在上述第一实施例的基础上，利用两相同推进装置以一定倾角放置在微型机器人旁时，可形成如图4所示的聚焦型结构，能够实现驱动能量的聚焦，产生更强烈的推进效果。

【推进装置的第三实施例】

如图5所示的推进装置的第三实施例，其在上述第一实施例的基础上，在平行于插指电极2的方向上增设多个相同的推进装置，令其总数n＝2n(n＝1,2,3…)；在电学连接方面，n个推进装置呈并联，即每个推进装置的信号总线10与接地总线11分别相连在一起，多个推进装置同时工作能够实现呈倍数增加的高效推动。

【推进装置的第四实施例】

如图6所示的推进装置的第四实施例，其为在推进装置的第三实施例的基础上进一步的改进，具体的，其在二维平面的前、后、左、右四个方向上均放置有如推进装置的第三实施例的所述的n个相同微型机器人推进装置并联结构，通过激励该二维平面上位于不同方向的并联推进装置同时工作可以实现高效快速的微型机器人前进、后退、向左、向右运动模式。

【推进装置的第五实施例】

如图7所示的推进装置的第五实施例，其为在推进装置的第四实施例的基础上进一步的改进，其将微型机器人推进装置在二维平面内的运动扩展为三维空间下的运动；具体的，在一正六面体的各个面上均匀排布如推进装置的第四实施例所述的二维平面四个方向微型机器人推进装置阵列，通过激励六面体表面与运动方向轴线平行的4个二维面上同向并联推进装置同时工作，可以实现微型机器人在三维空间内前进、后退、向左、向右、升起、下落的运动模式，且多个推进装置联同工作使得推进速度更快，推进效率成倍增长。每种运动方式依靠六面体上与选定运动方向轴线平行的4个二维面，其上工作区域为推进方向与选定方向相同的一组n个并联推进装置。

以上升运动为例，选择工作面为六面体中四个与上升方向平行的平面，每个工作面上的工作区域为该二维平面上与上升方向一致的并联推进装置阵列12，同时激励工作区域中的推进装置，可以推动微型机器人实现高效快速的上升运动，三维空间中其余五个方向的运动均与上升运动原理相同。

由上几个实施例可以看出，本申请所述推进装置的拓扑方式可以灵活设置，具有多样化的特点，如多个推进装置在同一平面上以单独存在、并联或串联的方式连接形成齐平或呈一定倾角等排列方式；或多个推进装置在三维空间上以单独存在、并联或串联的方式组成的多种空间构型。

以上所述是本发明的可选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。