Дешевые и точные роботы для оперирования нанообъектами
 Разработанный прибор в действии. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
На сегодняшний день нанотехнологии – одна из самых популярных тем для научных исследований. Не в последнюю очередь за такое положение дел следует благодарить современные средства наблюдения, управления и измерения объектов наномасштаба. Среди основных направлений, где они применяются, - исследования клеток живых организмов, углеродных нанотрубок, поверхностей, наночастиц и др.
Существуют различные методики проникновения в нано-мир, однако, ни одну из них нельзя назвать по-настоящему универсальной. Технический прогресс ведет за собой постоянное развитие и совершенствование нано-инструментов (повышение точности, появление новых возможностей в манипуляции), но до сих пор никому не удавалось сделать по-настоящему универсальный и не дорогой прибор.
Большинство из существующих инструментов основаны на принципе действия сканирующего атомного силового микроскопа (АСМ): тонкое острие движется вдоль поверхности и регистрирует силу межатомного взаимодействия между острием и исследуемым образцом. Многие из них действительно обеспечивают трехмерный контроль и возможность манипулирования нанобъектами (наноточками и даже отдельными атомами), однако, они не подходят для изучения больших поверхностей, а также перемещения около поверхности образца объектов с размерами порядка 1 микрона (например, клеток). Эти ограничения существенно сужают круг возможных применений приборов подобного типа.
Группа исследователей из University of Oulu (Финляндия) предложила свой подход к созданию нано-инструмента; они реализовали свои идеи в роботизированной системе, управляемой с компьютера. Предложенная ими система может использоваться для решения самых разнообразных задач, в которых требуется работа с нанометровыми масштабами.
Основная концепция, лежащая в основе их подхода, - использование новых пьезоэлементов для перемещения «манипулятора» (аналога зонда в атомном силовом микроскопе). Подвес особой конструкции позволяет преобразовать много последовательных коротких сокращений в непрерывное движение. При этом минимальное расстояние, на которое может быть перемещен манипулятор, - 5 нм. Диапазон передвижений для каждого из пьезодвижетелей – 3 см. Так же при помощи конструкции подвеса вместо обычного двумерного сканирования, исследователи сделали ставку на трехмерное перемещение манипулятора.
Среди сложностей, с которыми пришлось столкнуться разработчикам, были и задержки при передаче сигнала, и загрузка процессора, зависящая от пользовательского интерфейса. Эти и многие другие проблемы были решены за счет использования внешней электроники, двухядерного вычислительного модуля и программирования фоновых задач.
Система состоит из компьютера, трехмерного джойстика в руках у оператора и пьезоэлектрического манипулятора. Особая конструкция джойстика, имеющего 6 степеней свободы, позволяет в прямом смысле вручную управлять манипулятором; кроме того, джойстик имеет 2 кнопки, на которые могут быть назначены определенные функции (любые, необходимые в конкретном исследовании). В джойстике реализована простейшая система обратной связи, которая позволяет оператору чувствовать то же, что «чувствует» прибор.
Самая главная особенность прибора в том, что его конструкция рассчитана на быструю замену манипуляторов и используемых датчиков для адаптации «робота» под конкретную задачу.
Также по теме:
Источники: