BÁO cáo bài tập lớn học PHẦN MICRO ROBOT LITERATURE REVIEW PIEZOELECTRIC ACTUATOR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY & ROBOT *************** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: MICRO ROBOT Mã lớp học: 124362 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hạ Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm Hà Nội, tháng năm 2021 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM STT Họ tên MSSV Trần Lam Trường 20170955 Trần Việt Cường 20170671 Nguyễn Quang Đạo 20170679 Trịnh Quang Đông 20170695 Nguyễn Văn Việt 20170995 Nguyễn Quốc Vương 20172388 Lê Xuân Tùng 20170979 Trần Hoàng Đạt 20170683 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hạ Sinh viên thực hiện: Nhóm Nhận xét giảng viên hướng dẫn ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày……….tháng………năm Giảng viên hướng dẫn ký tên Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ LỜI NÓI ĐẦU MicroRobotics lĩnh vực robot thu nhỏ, cung cấp khả tương tác với vật có kích thước vượt q khả sinh lý tự nhiên người Lưu ý định nghĩa đề xuất không thiết ngụ ý thân MicroRobot (robot vi mơ) có quy mơ milimet Robot hoạt động vật thể có kích cỡ milimet khơng gian làm việc cỡ milimet, phân loại MicroRobot (robot vi mô) MicroRobotics xây dựng cở số ngành kỹ thuật xác, robotics vật lý ứng dụng, phát triển thành lĩnh vực riêng Trong thực tế, có nhiều lý giải thích cho hình thành lĩnh vực MicroRobotics: Giảm vật tư tiêu hao, tăng tốc độ đáp ứng cho hệ thống, nâng cao tính di động hết để thực nhiệm vụ phức tạp chuyên biệt mà hệ thống Robot truyền thống thực Ví dụ định hình phân tích tín hiệu ánh sáng; pha trộn, xử lý phân tích thể tích hóa chất siêu nhỏ; cảm biến tín hiệu học; khí thăm dị giải trình tự phân tử sinh học Những nhiệm vụ đảm nhận hệ thống MicroRobot Giờ đây, việc đẩy mảnh nghiên cứu hệ thống lắp ráp quy trình điều chế vi mơ tiến hành để phục vụ mục đích trên, hướng tới bứt phá mặt công nghệ tương lai Trong lĩnh vực MicroRobotics, Piezoelectric Actuator (bộ kích hoạt áp điện) hướng nghiên cứu quan trọng, có ứng dụng lớn lĩnh vực, việc dành nhiều quan tâm cho định hướng lẽ tất yếu Trong Literature Review này, nhóm sinh viên (có danh sách kèm theo) thực đề tài Piezoelectric Atuator nhằm làm sáng tỏ số nội dung vấn đề Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Xuân Hạ giảng dạy tâm huyết, hướng dẫn tận tình anh Nguyễn Hùng Anh hỗ trợ triển khai, quan tâm ân cần để giúp nhóm hồn thành Literature Review lần Tuy cố gắng chắn cịn có nhiều thiếu sót, nhóm mong TS Nguyễn Xuân Hạ anh Nguyễn Hùng Anh có góp ý, sửa đổi để hồn thiện Nhóm xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Nhóm MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .7 DANH MỤC BẢNG BIỂU .9 CHƯƠNG LITERATURE REVIEW: PIEZOELECTRIC ACTUATOR 10 Tổng quan kích hoạt áp điện 10 1.1 Tổng quan hiệu ứng áp điện, kích hoạt áp điện 10 1.1.1 Hiệu ứng áp điện 10 1.1.2 Bộ kích hoạt áp điện 11 1.2 Đặc trưng nguyên lý hoạt động số vật liệu áp điện 12 1.2.1 Đặc trưng số vật liệu 12 1.2.2 Nguyên lý hoạt động gốm áp điện .14 1.2.3 Hiện tượng từ trễ (Hysteresis) .16 Phân loại, ưu nhược điểm ứng dụng thiết bị áp điện .20 2.1 Multilayer (stack) actuators 20 2.2 Bimorph (bender) actuators 23 2.3 Stick-slip actuators 25 a Hiện tượng chuyển vị đầu 28 b Hiện tượng biên độ .29 c Hiện tượng vi dao động 30 2.4 Tube actuators 30 2.5 Bulk actuators 32 Tính tốn thiết bị áp điện 35 3.1 Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp 35 3.2 Bimorph (bender) actuators 37 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ 3.3 Stick-slip actuators 39 CHƯƠNG CASE STUDY: ROBOTIC DUAL PROBE SETUP FOR RELIABLE PICK AND PLACE PROCESSING ON THE NANOSCALE USING HAPTIC DEVICES .43 Mục đích hệ thống 43 Cấu tạo hệ thống 44 Nguyên lý hoạt động hệ thống .48 Đánh giá hệ thống 53 Đề xuất cải tiến hệ thống .55 Danh mục tài liệu tham khảo 60 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Hiệu ứng áp điện ngược 10 Hình Hiệu ứng áp điện thuận .10 Hình Bộ kích hoạt áp điện 11 Hình Tinh thể thạch anh 12 Hình Tinh thể muối Rochelle 13 Hình Vòng lặp trễ với tần số cố định [6] 16 Hình Vịng lặp trễ với tần số thay đổi [6] 17 Hình Ví dụ thời gian từ trễ [7] 17 Hình Một số loại mơ hình hóa tượng từ trễ [6] 18 Hình 10 Một số điều khiển thông dụng [6] .19 Hình 11 Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp .21 Hình 12 Cơ chế khuếch đại thủy lực kích hoat áp điện ngăn xếp 22 Hình 13 Động truyền động quán tính .22 Hình 14 Cơ cấu kẹp Zheng Li (bên trái) Das (bên phải) 23 Hình 15 Bimorph piezoelectric actuator .23 Hình 16 Cấu trúc bimorph, unimorph triple layer benders, (a) bimorph bender chuỗi kết nối, (b) bimorph bender kết nối song song, (c) triple layer bender, (d) unimorph bender, (e) thiết bị cầu vồng [12] .24 Hình 17 Động quay quán tính hai bậc tự bố trí bimorph piezo [13] 25 Hình 18 Mơ tả ngun lý hoạt động động Zhang [13] .25 Hình 19 Sơ đồ nguyên lý chuyển động dính-trượt [3] 26 Hình 20 Mơ hình Stick-slip actuator Zhang [14] 27 Hình 21 Mơ hình Stick-slip actuator Xu [15] 28 Hình 22 Biến dạng nhấp nhô chuyển vị đầu tác dụng ngoại lực 28 Hình 23 Quan hệ độ lớn biên độ dao động độ lớn bước dịch chuyển PTCH .29 Hình 24 Tube actuators 31 Hình 25 Cơ cấu bậc tự do, bậc tự do, toàn bậc vật liệu áp điện [18] 32 Hình 26 Sơ đồ thiết kế IDE cấu chấp hành .33 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Hình 27 Thiết kế chuyển động hỗn hợp IDE 34 Hình 28 Piezoelectric actuator 35 Hình 29 Các thơng số cấu hình ngăn xếp 36 Hình 30 Đặc tính tĩnh thiết bị truyền động ngăn xếp áp điện (XLi FBi hành trình tự lực chặn điện áp Vi, i = 1, 2, 3) 37 Hình 31 Bộ kích hoạt áp điện Bimorph 37 Hình 32 Nguyên tắc hoạt động bimorph 38 Hình 33 Các thơng số cấu hình bimorph 38 Hình 34 Nguyên tắc hoạt động chế độ bước [BRE 98] .39 Hình 35 .(a) Chế độ xem bùng nổ microrobot (b) Ảnh toàn 40 Hình 36 Mặt cắt ngang kích hoạt ống áp điện 40 Hình 37 Robot thực gắp thả hạt nano riêng lẻ 43 Hình 38 Sắp xếp hạt nano theo cấu trúc chiều 44 Hình 39 Sắp xếp hạt nano theo cấu trúc chiều 44 Hình 40 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét 45 Hình 41 Hera Piezo Linear Presicion Positioner 46 Hình 42 PicoCube Piezo Scanner 46 Hình 43 Thanh trượt tuyến tính SmartAct SLC hệ thống định vị thơ, độ xác cỡ 20nm 47 Hình 44 Đầu dị kép hệ thống 47 Hình 45 Hiện tượng hạt nano bị dính lên thành đầu dị .48 Hình 46 Quy trình “Pick and Place” hạt nano 49 Hình 47 Hệ thống điều khiển OFFIS 50 Hình 48 Lưu đồ cho trình “Pick and Place” 51 Hình 49 Sơ đồ khối kết nối thiết bị 52 Hình 50 Hiện tượng uốn cong đầu dò 53 Hình 51 Đầu dị điều khiển điện phục vụ gắp thả hạt riêng lẻ (a) Sơ đồ bố trí thí nghiệm, (b) Hình ảnh huỳnh quang hạt nano tách quay kính che, (c) Hình ảnh SEM đầu AFM, bán kính cong đầu mút 30nm (d) Hình ảnh huỳnh quang hạt nano xếp thành “NJU” 57 Hình 52 Quy trình gắp thả hệ thống 58 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Thuộc tính thạch anh 12 Bảng Thuộc tính muối Rochelle 13 Bảng Thông số gốm áp điện BT, LZ .14 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ CHƯƠNG LITERATURE REVIEW: PIEZOELECTRIC ACTUATOR Tổng quan kích hoạt áp điện 1.1 Tổng quan hiệu ứng áp điện, kích hoạt áp điện 1.1.1 Hiệu ứng áp điện Các chất áp điện chất tạo điện tích ứng suất học tác dụng (vật chất bị ép hay kéo căng), tượng gọi hiệu ứng áp điện thuận (Hình 2) Ngược lại, dạng biến dạng học (vật chất bị co lại hay kéo căng) xuất có tác dụng điện trường, tượng gọi hiệu ứng áp điện ngược (Hình 1) [1] Về chất, hiệu ứng áp điện giải thích dịch chuyển ion tinh thể khơng đối xứng Hình Hiệu ứng áp điện thuận Khi tinh thể bị nén, ion ô đơn vị bị dịch chuyển, gây tượng phân cực điện ô đơn vị Do đặn cấu trúc tinh thể, hiệu ứng tích tụ, gây chênh lệch điện mặt Hình Hiệu ứng áp điện ngược định tinh thể Khi điện trường bên áp dụng cho tinh thể ion ô đơn vị chuyển dịch lực tĩnh điện, dẫn đến biến dạng học toàn tinh thể [2] Hiện tượng áp điện thuận phát tinh thể tự nhiên, nhiều thạch anh Về sau người ta tìm thấy hiệu ứng gốm sứ, gần polyme [3] Một số ứng dụng hiệu ứng áp điện: + Nguồn điện điện áp cao: Một ví dụ ứng dụng lĩnh vực bật lửa thuốc điện, việc nhấn nút khiến búa có lị xo đập vào tinh thể áp điện, tạo điện áp đủ cao để dịng điện chạy qua Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Hình 46 Quy trình “Pick and Place” hạt nano + Pick: Đầu dò kẹp với túi bám dính tiếp xúc với hạt nano (a) đầu dò trợ giúp tiếp xúc với hạt nano túi bám dính (bc).Sau kẹp đầu dị trợ giúp hợp tác nhấc cầu khỏi bề mặt mẫu (d) Sau đó, đầu dị trợ giúp loại bỏ (e) độ bám dính khối cầu túi bám dính chiếm ưu tương tác Trước đặt hạt nano vào bước tiếp theo, chất bên trao đổi, cần, sử dụng giai đoạn giữ mẫu + Place: Đầu dò kẹp đặt hạt nano xuống vị trí mục tiêu (ab) Đầu dị trợ giúp đặt cầu vào vị trí mục tiêu (c) đầu dị kẹp với túi bám dính tách khỏi hạt nano (d) Cuối cùng, trợ giúp đầu dị kẹp tháo (e) [22] Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 50 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Phần điều khiển: a) Hệ thống điều khiển Hình 47 Hệ thống điều khiển OFFIS - Hệ thống điều khiển bao gồm nhiều hệ thống khác nhau, gọi Hệ thống điều khiển tự động OFFIS - Hệ thống bao gồm + Giao diện người dùng (GUI) + Các điều khiển từ xa gamepad bảng điều khiển để điều khiển cấu chấp hành (Gamepad, Haptic Interfaces, Piezo Controller, ) + Hệ thống thị giác máy để xử lý hình ảnh (Vision) Hệ thống sử dụng loại cảm biến hình ảnh SEM kết hợp với mã nguồn mở openCV + thiết bị đo HCM MCG để thu thập liệu cảm biến + Tự động hóa: Người dùng tạo chuỗi tự động hóa cho hệ thống Sử dụng ngơn ngữ lập trình Python + RC-Unit Control hệ thống thành phần để điều khiển cấu chấp hành RC-Unit Control lớp trừu tượng hóa phần cứng Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 51 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ (HAL) tảng lập trình điều khiển cấu chấp hành Nó góp phần giúp người dùng thực thao tác điều khiển cách dễ dàng đảm bảo độ xác việc thao tác Nó thành phần quan trọng để tự động hóa quy trình cho cơng việc sau - Hệ thống điều khiển OFFIS cho phép tích hợp phần cứng khác nhau, xử lý hình ảnh tạo chuỗi điều khiển tự động cách dễ dàng - OFFIS tảng mã nguồn mở miễn phí cho hầu hết hệ điều hành, môi trường đa chức thiết kế theo mô đun, cho phép điều chỉnh, thay đổi theo dự án cách đơn giản - Lưu đồ cho việc gắp đặt hạt nano [22] Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 52 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Hình 48 Lưu đồ cho trình “Pick and Place” b) Tìm hạt nano thích hợp: - Thực vài bước thủ công: + Lấy mẫu kẹp, đối sánh mẫu để theo dõi vị trí + Hiệu chỉnh hệ thống quan sát robot: Tay kẹp di chuyển thủ công đến vị trí khác bề mặt để quan sát SEM Vị trí tay kẹp hệ tọa độ ảnh lưu trữ với vị trí tương ứng hệ thống điều chỉnh kích thước nano Một ma trận biến đổi hệ tọa độ tạo Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 53 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ - Các hạt nano chất phát cách sử dụng thuật toán BLOB (binary large object - detection) thông qua liệu ảnh từ SEM - Nhờ thuật tốn hạt nằm nhóm gần với hạt khác bị loại bỏ Nếu khơng tìm thấy hạt phù hợp tập liệu, hệ thống chuyển qua khu vực khác - Sau tọa độ ảnh hạt phù hợp chọn chuyển sang hệ tọa độ định vị cách sử dụng ma trận biến đổi tạo trước [22] c) Tương tác với hạt nano Hình 49 Sơ đồ khối kết nối thiết bị - Sử dụng Haptic Interfaces thiết bị thao tác với hạt nano - Thiết bị gắn cảm biến, với hệ thống tự động hóa giúp kiểm sốt tương tác với hạt nano - Hệ thống điều khiển từ xa nhận lệnh điều khiển qua cấu chấp hành (PI Hera PI Pico Cube) để tiến hành định vị hạt nano [22] Hình 50 Hiện tượng uốn cong đầu dị Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 54 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Đánh giá hệ thống 4.1 Đánh giá kết ba kịch A Gắp thả hạt riêng lẻ Chiến lược mô tả hình 37, chứng minh có khả lặp lại cao, hàng trăm hạt nano chọn mà khơng có lỗi xảy (tỷ lệ thành cơng 100%) Các hạt đơn SiO2 có đường kính 1160nm dễ dàng tách khỏi vị trí ban đầu, hạt có đường kính 237nm xử lý mà khơng cần điều chỉnh chiến lược gắp đề xuất Thời gian trung bình cho hạt khoảng 30 giây Trong đó, 5-10 giây dùng cho q trình lất mẫu, giây cho trình trao đổi chấ 18-25 giây dùng để thả hạt Ưu điểm chiến lược gắp độ xác cao gắp hạt với đường kính khác Nhược điểm cịn tồn xử lý số lượng hạt lớn tốn nhiều thời gian [22] B Sắp xếp hạt theo cấu trúc chiều Áp dụng quy trình xử lý hợp tác hai đầy dò, hạt nano khác xếp thành mẫu chiều nào, ngồi tách hạt riêng lẻ khỏi nhóm (Hình 38) Cách xử lý giúp đưa hạt vào lỗ khắc phục khuyết tật cấu trúc hai chiều Chiến lược xử lý tốt hạt có đường kính từ 230nm 1000nm Ưu điểm phương pháp hạt đặt vị trí với độ xác cao, xử lý khuyết tật cấu trúc Nhược điểm tồn xử lý cấu trúc phức tạp [22] C Sắp xếp theo cấu trúc chiều cấu trúc khác biệt Việc chọn xếp hạt vào cấu trúc chiều chứng minh phương pháp tiếp cận đơn giản hiệu Tuy nhiên, việc xếp hạt thành cấu trúc chiều khó nhiều việc tạo điểm tiếp xúc dẫn đến lực dính ướt cấu trúc dễ vỡ Cấu trúc chiều chóp tạo hình 39, cách tiếp cận khả tạo cấu trúc khơng đồng Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 55 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ hạt vật liệu khác Ưu điểm chiến lược xử lý cấu trúc phức tạp không đồng Nhược điểm tồn cấu trúc dễ vỡ [22] 4.2 Đánh giá hệ thống Trạm thao tác robot kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng bố trí hai đầu dò cho phép chọn xử lý đáng tin cậy vị trí cầu nano cách sử dụng thiết lập đầu dò kép robot trình bày Trong cách này, xếp hai ba chiều các hạt nano lắp ráp thành cơng Vì thế, cách tiếp cận cho phép hội chế tạo cho cấu trúc quang tử plasmonic phức tạp tiếp cận với sản xuất song song ạt thủ tục biết đến từ công nghệ bán dẫn Hệ thống xử lý tốt hạt nano kích thước từ 410nm đến 1160nm với độ xác cao ổn định [22] Ưu điểm phương pháp: Các chiến lược xử lý lắp ráp thông thường dựa phương pháp tiếp cận thăm dò đơn lẻ thường bị phá vỡ đối tượng nằm phạm vi kích thước micromet thấp quy luật chia tỷ lệ lực Chiến lược xử lý cung cấp mức độ lặp lại cao, việc chọn xử lý vị trí tự động quy mơ nano diễn với độ xác cao Nguyên lý hoạt động hệ thống đơn giản áp dụng lực dính cầu nano cấu gắp Bằng cách sử dụng có mục đích lực kết dính chiếm ưu quy mơ nano, thiết lập tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp xếp phức tạp tổng thể hạt nano khác cách sử dụng thiết bị xúc giác [22] Nhược điểm phương pháp: Những hạn chế cách tiếp cận đề xuất cần phải cần thiết có phản hồi chất nối tiếp q trình, dẫn đến số điểm ứng dụng hạn chế Bên cạnh đó, hệ thống không tương tác với chùm hạt Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 56 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ hay khu vực tập trung nhiều hạt Ngoài ra, hạt gắp bị giới hạn kích thước khoảng 230-1160nm, kích thước cịn lớn so sánh với vài ứng dụng cụ thể Công việc tương lai tập trung vào việc phát triển chiến lược xử lý hoàn toàn tự động áp dụng quy trình xử lý hình ảnh chuyên dụng việc mở rộng đầu nhọn vonfram tỷ lệ khung hình cao với cảm biến lực nano Hình 48 mơ tả ngun lý hoạt động q trình gắp thủ cơng, nhược điểm q trình độ xác q trình gắp ảnh hưởng trình hiệu chuẩn camera Trong bước này, kẹp di chuyển thủ cơng đến ba vị trí khác bề mặt đế nhìn thấy liệu hình ảnh SEM Vị trí kẹp hệ tọa độ hình ảnh lưu trữ với vị trí tương ứng hệ thống điều chỉnh kích thước nano (được đo cảm biến bên trong) Sau đó, ma trận biến đổi tạo ra, cho phép biến đổi hệ tọa độ Thuật tốn phát đối tượng BLOB có nguồn gốc từ phát đường viền khoảnh khắc OpenCV Sau Tập lệnh Python giúp chọn tất hạt nano phù hợp Điều có nghĩa tất hạt nằm nhóm gần với hạt khác bị loại bỏ Nếu không tìm thấy hình cầu phù hợp liệu hình ảnh SEM tại, giai đoạn mẫu chuyển sang khu vực khác Sau đó, tọa độ ảnh hạt phù hợp chọn chuyển sang hệ tọa độ định vị cách sử dụng ma trận biến đổi tạo trước Quá trình tự động bỏ qua tất hạt nằm nhóm gần với hạt khác mà tập trung vào đối tượng đứng riêng lẻ nên tách hạt khối phức tạp Đầu kẹp đẩy hạt dọc theo số bề mặt, khả nâng hạt khỏi chất [22] Đề xuất cải tiến hệ thống Đặt vấn đề Như trình bày Chương 2, phần 4, hệ thống thực “pick and place” với hạt nano có kích thước từ 230nm đến 1000nm Vậy với hạt nano có kích thước nhỏ sao? Đề xuất giải pháp Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 57 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Để giải vấn đề nêu trên, cải tiến hệ thống Thay sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tác dụng lực dính ướt trình “pick and place”, ta sử dụng đầu kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) tác dụng lực điện di (electrophoretic force) - tượng lực tác dụng lên hạt điện môi chịu điện trường khơng đều; kết hợp với kỹ thuật lắng đọng florua, kỹ thuật lượng bề mặt với tương tác lực tĩnh điện để tạo phương pháp Phương pháp thực thành công với hạt nano cỡ 80nm (nhỏ 1/3 so với kích thước bé hạt nano sử dụng hệ thống đầu dò kép sử dụng thiết bị Haptic) Một số điều chỉnh hệ thống Do phải thay đổi kết cấu hệ thống, thay phận cũ phận mới, ta cần phải điều chỉnh vài thơng số để hệ thống hoạt động tốt Đầu tiên bố trí lại sơ đồ hệ thống, bao gồm kính hiển vi huỳnh quang ngược (Olympus IX73) kính hiển vi lực nguyên tử thương mại (AFM, NT-MDT Netegra) (Hình 51a), sử dụng để điều hướng thực trình gắp thả tương ứng Để tăng độ xác cường độ tín hiệu, vật kính ngâm dầu (Olympus Apo 60XO, NA = 1.49) sử dụng để thu thập tín hiệu quang học máy ảnh EM-CMOS sử dụng để ghi lại tất tín hiệu Trong cơng trình này, hạt nano phát quang đảo ngược sử dụng Các hạt đúc quay lớp thủy tinh phủ indium thiếc oxit sau chụp ảnh kính hiển vi đảo ngược với kích thích 980nm (Thorlab CLD1015) Các hạt phân bố thưa thớt chất mà khơng có kết tụ , thể hình 51b Cặp đầu dò thương mại NT-MDT & TipsNano HA_NC sử dụng cho thí nghiệm (Hình 51c) Hình 51d thể kết trình gắp thả hạt nano, xếp chúng thành chữ NJU [23] Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 58 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xn Hạ Hình 51 Đầu dị điều khiển điện phục vụ gắp thả hạt riêng lẻ (a) Sơ đồ bố trí thí nghiệm, (b) Hình ảnh huỳnh quang hạt nano tách quay kính che, (c) Hình ảnh SEM đầu AFM, bán kính cong đầu mút 30nm (d) Hình ảnh huỳnh quang hạt nano xếp thành “NJU” Nguyên lý hoạt động Quy trình thực “Pick and Place” chia làm bước: + Định vị thơ: Di chuyển đầu dị vào trường nhìn thấy kính hiển vi lực ngun tử, tiếp đất tìm vị trí đỉnh hình ảnh quang học với trợ giúp ánh sáng trắng (Hình 2a) Sau đó, chuyển sang chế độ phát huỳnh quang tìm hạt nano mục tiêu Tiếp đó, di chuyển đầu dò tới vùng lân cận (trong phạm vị 3μm) hạt đích Tại thời điểm này, khơng có điện áp đặt lên đầu dị đồng thời lớp polyme florua phủ lên đảm bảo lượng bề mặt thấp, khả hấp thụ hạt nhỏ Nhìn chung, hạt nano tự khơng chịu tương tác nào, điện coi U air =0 Sau hạt nano hấp thụ bề mặt đầu dò chất nền, giải phóng lượng lượng, gọi E0tip (năng lượng đầu dò) E¿ (năng lượng chất nền), lực van der Waals điện trở thành U tip =−E0tip (điện đầu dò) U ¿ =−E¿ (điện Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 59 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ chất nền) (Hình 2b) Ở đây, phủ lớp florua nên U tip > U ¿, hạt nano lại chất + Nhặt hạt (Pick): Áp dụng điện áp (thường -10V) lên đầu dò qt đầu dị qua vị trí phân tử nano mục tiêu (~5μm2) sử dụng chế độ khai thác Khi đầu dò quét qua hạt nano mục tiêu, hạt bị hấp thụ vào đỉnh đầu dò tương tác điện di (Hình 2c) Sau đó, rút đầu dị khỏi chất hạt nano nâng lên khỏi chất lượng hấp thụ đầu dò lớn chất ( Etip > E¿) Hình 52 Quy trình gắp thả hệ thống Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 60 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ + Thao tác với hạt: Sau gắp, ta điều khiển hạt nano chế độ 3D cách tự cách sử dụng đầu dị, điều khiển ống piezo có độ xác nanomet Ở đây, để đơn giản, ta nâng hạt nano cỡ 2μm từ bề mặt chất di chuyển đến vị trí xác định trước với trợ giúp kính hiển vi lực nguyên tử (Hình 2e) + Thả hạt (Place): Sau di chuyển hạt nano đến vị trí xác định trước, ta tắt điện áp đặt vào đầu dò đưa hạt xuống bề mặt Hạt nano nhảy trở lại hấp thụ vào chất (Hình 2g) bề mặt chất cung cấp lượng hấp thụ lớn đầu dị ( E¿ > Etip) (Hình 2h) Cuối cùng, ta nâng đầu dị lên khỏi chất hạt nano lại chất [23] Đánh giá hệ thống Hệ thống thực “Pick and Place” với hạt có kích thước nhỏ 1/3 so với kích thước bé hạt nano sử dụng hệ thống đầu dò kép sử dụng thiết bị Haptic Hệ thống đảm bảo yêu cầu độ xác q trình thao tác với hạt điều không phụ thuộc vào việc hiệu chỉnh kính hiển vi lực nguyên tử AFM Tuy vậy, cải tiến đòi hỏi phải thiết lập lại vài thông số kỹ thuật so với hệ thống cũ để hoạt động tốt Việc áp dụng thêm kỹ thuật lượng bề mặt lắng động florua làm hệ thống trở nên phức tạp Bên cạnh đó, phương án đề xuất mang lại hiểu khoảng 90%, điều có nghĩa có 10% hạt nano thả khơng nhảy trở lại chất có hạt khơng gắp lên Tóm lại, hệ thống phát triển dựa kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) tự động để gắp đặt hạt nano đơn lẻ với kích thước nhỏ Các nano làm đầu dò AFM dẫn điện phủ florua cường độ tương tác hạt hạt điều chỉnh nhỏ lớn so với tương tác chất hạt cách tắt bật điện áp đặt đầu dò Hơn nữa, hệ thống tự động hóa tồn q trình gắp thả chương trình Python Tuy nhiên, phạm vi Case Study này, nhóm khơng đề cập [23] Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 61 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Danh mục tài liệu tham khảo [1] Binoy Bera, Madhumita Das Sarkar, “Piezoelectric Effect, Piezotronics and Piezophototronics: A Review,” Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR), tập 2, số 11, pp 1407-1408, 2016 [2] X X G S Li Sui, “Piezoelectric Actuator Design and Application on Active Vibration Control,” Physics Procedia, tập 25, pp 1388-1396, 2012 [3] Nicolas Chaillet, Stéphane Régnier, Microrobotics for Micromanipulation, 111 River Street Hoboken, USA: John Wiley & Sons, Inc, 2010 [4] “nanomotion.com,” Nanomotion Ltd, [Trực tuyến] Available: https://www.nanomotion.com/nanomotion-technology/piezoelectric-effect/ [5] C.S.Brown, R.C.Kell, R.Taylor and L.A.Thomas, “Piezoelectric Materials, A Review of Progress,” IRE Transactions on Component Parts, tập 9, số 4, pp 193-211, 1962 [6] KK Sappati, S Bhadra, “Piezoelectric polymer and paper substrates: a review,” 2018 [7] Jürgen Maas, Dominik Tepel & Thorben Hoffstadt, “Actuator design and automated manufacturing process for DEAP-based multilayer stackactuators,” 2015 [8] H Zhou, B Henson, A Bell, A Blackwood, “Linear piezo-actuator and its applications,” 2001 [9] Z Li, L Zhao, X Yu, “A novel stick-slip piezoelectric actuator based on twostage flexible hinge structure,” 2020 [10] TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, “Design, analysis, and experimental investigation of a single-stage and low parasitic motion piezoelectric actuated microgripper,” 2020 [11] W Al-Ashtari, M Hunstig, T Hemsel, “Characteristics of Piezoelectric Energy Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 62 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Harvesters in Autonomous Systems,” 2013 [12] QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, “Theoretical analysis of the sensor effect of cantilever piezoelectric benders,” 1999 [13] S Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, “Development of a two-DOF inertial rotary motor using a piezoelectric actuator constructed on four bimorphs,” 2021 [14] Y Zhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, “A novel stick–slip piezoelectric actuator based on a triangular compliant driving mechanism, IEEE Transactions on Industrial,” 2018 [15] Z Xu, H Huang, J Dong, “A stick-slip piezoelectric actuator with measurable contact force,” 2020 [16] M Hammouche, P Lutz, M Rakotondrabe, “Robust and optimal outputfeedback control for interval state-space model: Application to a two-degreesof-freedom piezoelectric tube actuator,” 2019 [17] X Gao, J Yang, J Wu, X Xin, Z Li, X Yuan, “Piezoelectric actuators and motors: materials, designs, and applications,” 2020 [18] Zhijiang Chen, Xiaotian Li, Guoxi Liu, and Shuxiang Dong, “A two degreesof-freedom piezoelectric single-crystal micromotor,” 2014 [19] Mingsen Guo; Junhui Hu; Hua Zhu; Chunsheng Zhao; Shuxiang Dong, “Three-degree-of-freedom ultrasonic motor using a 5-mm-diameter piezoelectric ceramic tube,” 2013 [20] K Takemura, S Park, T Maeno, “Control of multi-dof ultrasonic actuator for dexterous surgical instrument,” 2008 [21] Osamah M El Rifai, and Kamal Youcef-Toumi, “Modeling of Piezoelectric Tube Actuators,” 2004 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 63 MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ [22] Tobias Tiemerding, Soren Zimmermann and Sergej Fatikow, “Robotic Dual Probe Setup for Reliable Pick and Place Processing on the Nanoscale using Haptic Devices”, IEEE, 2014 [23] Ya-Kun Lyu, Zuo-Tao Ji, Tao He, Zhenda Lu and Weihua Zhang, “Automated pick-and-place of single nanoparticle using electrically controlled low-surface energy nanotweezer”, API Advances, 02/2021 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 64 ... thiết ngụ ý thân MicroRobot (robot vi mơ) có quy mơ milimet Robot hoạt động vật thể có kích cỡ milimet không gian làm việc cỡ milimet, phân loại MicroRobot (robot vi mô) MicroRobotics xây dựng... vực MicroRobotics, Piezoelectric Actuator (bộ kích hoạt áp điện) hướng nghiên cứu quan trọng, có ứng dụng lớn lĩnh vực, việc dành nhiều quan tâm cho định hướng lẽ tất yếu Trong Literature Review. .. viên thực hiện: Nhóm MicroRobotics GVHD: TS Nguyễn Xuân Hạ Nhóm MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .7 DANH MỤC BẢNG BIỂU .9 CHƯƠNG LITERATURE REVIEW: PIEZOELECTRIC ACTUATOR 10 Tổng quan