微納機器人：從個體到集群

目錄
總序
序
前言
第1章 微納機器人的發(fā)展史 1
1.1 機器人學的發(fā)展和微納機器人的起源 1
1.2 微納機器人的集群體系 4
1.3 本書架構 7
參考文獻 8
第2章 磁性微納機器人：現(xiàn)狀與應用前景 10
2.1 磁場驅(qū)動的微納機器人 12
2.1.1 螺旋推動式微納機器人 13
2.1.2 振蕩磁場驅(qū)動式柔性微納機器人 19
2.1.3 其他類型的磁場驅(qū)動微納機器人 22
2.2 磁導向微納機器人 24
2.2.1 磁導向化學驅(qū)動式微納機器人 24
2.2.2 磁導向趨磁細菌 27
2.3 結論與展望 29
參考文獻 31
第3章 不依賴精確模型的雙粒子微機器人運動控制方法 36
3.1 引言 36
3.2 雙粒子磁性微機器人的驅(qū)動方法和運動特性識別 36
3.3 磁控系統(tǒng) 38
3.4 控制方案設計 39
3.4.1 問題的公式化 39
3.4.2 擴展狀態(tài)觀測器的設計 40
3.4.3 控制器的設計 41
3.5 軌跡跟蹤實驗 42
3.6 本章總結 43
參考文獻 44
第4章 熒光磁性孢子微機器人的實時追蹤——遠程檢測難辨梭菌毒素 46
4.1 引言 46
4.2 FMSM的制備及其應用前景 48
4.3 FMSM的表征 49
4.4 FMSM的驅(qū)動性能 51
4.5 FMSM的熒光性質(zhì) 53
4.6 FMSM對難辨梭菌毒素的檢測能力 53
4.7 臨床糞便樣品中的實際應用 55
4.8 材料和方法 57
4.8.1 FMSM合成及實驗所用材料 57
4.8.2 磁性孢子@Fe3O4混合體的合成 57
4.8.3 熒光磁性孢子@Fe3O4@碳點微機器人的合成 58
4.8.4 儀器與表征 58
4.8.5 磁性能及相應的驅(qū)動測試 58
4.8.6 難辨梭菌毒素的檢測 59
4.9 本章總結 59
參考文獻 60
第5章 磁性孢子微機器人的熒光成像自動控制 63
5.1 引言 63
5.2 磁性孢子的制備以及磁驅(qū)動 65
5.2.1 制備方法 65
5.2.2 驅(qū)動原理以及運動特性表征 66
5.3 磁性孢子在熒光成像引導下的自動控制設計 67
5.3.1 環(huán)境識別 67
5.3.2 基于PSO的*優(yōu)避障路徑規(guī)劃 68
5.3.3 軌跡跟蹤：魯棒模型預測控制 71
5.4 軌跡規(guī)劃和控制方案的仿真及參數(shù)確定 74
5.4.1 *優(yōu)路徑規(guī)劃器 74
5.4.2 干擾觀測器的調(diào)節(jié) 76
5.4.3 MPC控制器 77
5.5 細胞精度的運送實驗 78
5.5.1 系統(tǒng)設置 78
5.5.2 利用熒光成像的軌跡跟蹤 79
5.5.3 利用熒光成像的自動把向遞送 80
5.6 本章總結 82
參考文獻 82
第6章 微納機器人集群概述 86
6.1 引言 86
6.2 磁場驅(qū)動的集群現(xiàn)象 86
6.2.1 基于粒子的磁場驅(qū)動 87
6.2.2 基于基底的磁場驅(qū)動 87
6.2.3 集體行為：通過旋轉(zhuǎn)磁場的自組裝 88
6.3 電驅(qū)動的集群現(xiàn)象 90
6.3.1 電驅(qū)動 90
6.3.2 集體行為 91
6.4 聲驅(qū)動的集群現(xiàn)象 92
6.5 本章總結 94
參考文獻 95
第7章 順磁性納米粒子鏈狀團聚物的拆解 100
7.1 引言 100
7.2 斷開及分散過程的物理模型與仿真 101
7.2.1 分散過程 102
7.2.2 斷開過程 106
7.3 拆解過程：斷開與分散的同步進行 107
7.4 實驗結果 109
7.4.1 分散實驗 110
7.4.2 拆解實驗及拆解后長度分布統(tǒng)計 111
7.4.3 生物流體中的拆解 114
7.4.4 拆解的逆過程——組裝 115
7.4.5 非磁性微米小球的定向運送 117
7.5 本章總結 118
參考文獻 118
第8章 旋渦狀順磁性納米粒子集群的生成及運動控制 122
8.1 引言 122
8.2 旋渦狀集群的生成原理 124
8.2.1 旋渦的合并 125
8.2.2 形成VPNS的*低粒子農(nóng)度 126
8.3 旋渦狀集群的特征描述 128
8.4 集群模式自重組 130
8.4.1 核心尺寸的變化 130
8.4.2 擴展狀態(tài) 130
8.5 維持集群模式的力 133
8.6 實驗結果與模型對照 137
8.6.1 集群的生成 137
8.6.2 集群的表征 139
8.6.3 集群形態(tài)轉(zhuǎn)變 140
8.6.4 集群運動過程中的形態(tài) 144
8.7 本章總結 149
參考文獻 149
第9章 基于統(tǒng)計的磁性納米粒子集群的自動控制 152
9.1 引言 152
9.2 納米粒子集群的統(tǒng)計描述 155
9.3 系統(tǒng)概述 157
9.4 基于統(tǒng)計的VPNS自動識別與跟蹤 158
9.4.1 VPNS的自動識別 159
9.4.2 VPNS的自動跟蹤 163
9.5 聚集優(yōu)化控制 164
9.6 VPNS的自動運動控制 170
9.6.1 運動特性表征 171
9.6.2 運動控制方案的設計 171
9.6.3 擴展狀態(tài)觀測器的設計 173
9.6.4 LQI控制器的設計 173
9.7 運動控制對比實驗 175
9.8 磁性納米粒子群的實時分布監(jiān)測及自動控制 177
9.8.1 集群分布面積/密度的監(jiān)測 177
9.8.2 集群分布面積的控制 179
9.9 本章總結 180
參考文獻 180
第10章 磁性納米粒子條狀集群的生成及運動控制 184
10.1 引言 184
10.2 條狀順磁性納米粒子微群的生成 185
10.3 多模式重構 189
10.4 集群的可控運動 191
10.5 實驗方法 194
10.6 本章總結 194
參考文獻 194
第11章 用可重構微群模仿蟻橋的結構與功能以實現(xiàn)微電子應用 197
11.1 引言 197
11.2 Fe3O4-Au（核-殼）納米粒子的制備 199
11.3 微群的集體行為 201
11.4 模仿蟻橋的結構和功能以用于電路連接 203
11.5 微群在電子領域的應用 204
11.6 本章總結 206
參考文獻206
第12章 集群運動的生物混合吸附劑——高效去除有毒重金屬 209
12.1 引言 209
12.2 結果與討論 211
12.3 本章總結 219
參考文獻 219
第13章 微納機器人的未來應用與挑戰(zhàn) 223
13.1 微納機器人在醫(yī)學領域的未來應用 223
13.2 醫(yī)療微納機器人未來發(fā)展的挑戰(zhàn) 226
參考文獻 229
關鍵詞索引 230