一种基于声镊的实验室非接触式液滴操作智能移动机器人

本发明涉及液滴操作，具体涉及一种基于声镊的实验室非接触式液滴操作智能移动机器人。

背景技术：

1、液滴操作是许多科学实验中的关键环节，尤其在生物化学、药物筛选、材料合成等领域。传统的液滴操作方式往往需要人工进行，这不仅耗时耗力，而且难以保证操作的精确性和稳定性。

2、近年来，随着机器人技术和化学科学的交叉融合，化学反应机器人逐渐成为研究热点。此类机器人能够自主执行化学反应，提高反应效率，减少资源消耗，并降低人为操作的风险。然而，尽管此类系统显著提高了合成效率并节省了人力成本，且具有一定的智能性和自主学习性。但是，并未从根本上解决化学合成过程中的物料浪费问题，化学反应本身时间也没有被缩短。

3、微流控技术作为近年来兴起的一项跨学科技术，通过微尺度通道和微型反应器，实现了对流体在微观尺度上的精确控制。然而，微流控芯片的操作同样面临着精度要求高、操作复杂等挑战，且由于微流控芯片中处理的液滴体积极小，液体内部的分子间相互作用增强，导致粘度增大。高粘度液体不仅增加了液滴操控的难度，还可能减慢化学反应速度，增加反应时间。

4、为了提高液滴操作的安全性、精确性和经济性，急需对实验室液滴操作方式进行改进。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于声镊的实验室非接触式液滴操作智能移动机器人，该机器人能够在实验室自主完成基于液滴操作的生物3d打印和化学反应，具有节约反应原料、缩短实验所需时间、液滴操作自动化、显著提高实验安全性的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、一种基于声镊的实验室非接触式液滴操作智能移动机器人，该机器人包括液滴生成系统、液滴捕获移动系统、液滴操作平台以及控制单元；

4、所述液滴生成系统用于生成液滴；所述液滴捕获移动系统包括可移动机械臂和安装于所述可移动机械臂末端的声镊执行器，用于捕获所述液滴生成系统生成的液滴并以悬浮状态转移至所述液滴操作平台；所述液滴操作平台用于接收所述液滴捕获移动系统移送的液滴；所述控制单元与所述液滴生成系统和所述液滴捕获移动系统信号连接，用于控制所述液滴生成系统和所述液滴捕获移动系统动作。

5、更进一步地，所述液滴生成系统包括液滴注射泵和注射器；

6、所述注射器安装于所述液滴注射泵；所述液滴注射泵用于驱动所述注射器，以在所述注射器的针头末端形成液滴；所述针头外套有末端通过热处理弯折的毛细玻璃管，以降低所述针头的出口对液滴的毛细力，便于所述声镊执行器捕获液滴。

7、更进一步地，所述声镊执行器为由超声波悬浮支撑件、超声波换能器阵列、控制驱动系统以及上位机组成的双半球声镊；

8、所述超声波悬浮支撑件固定安装于所述可移动机械臂的末端，采用树脂材料通过3d打印制成，并具有相对设置的两个半球面；

9、所述超声波换能器阵列安装于两个所述半球面的内球面，用于形成捕获液滴的声场；

10、所述控制驱动系统与所述超声波换能器阵列信号连接，用于控制所述超声波换能器阵列输出声场信号；

11、所述上位机与所述控制驱动系统信号连接，用于产生不同相位的控制信号并发送给所述控制驱动系统，以实现全息声镊声场强度和位置的实时控制。

12、更进一步地，所述超声波换能器阵列包括分布于每个半球面的36个超声波换能器；所述超声波换能器用于产生频率40khz的正弦超声波。

13、更进一步地，还包括用于记录液滴操作过程的照相机，所述照相机固定安装于所述超声波悬浮支撑件上。

14、更进一步地，还包括用于在打印过程中进行光固化操作所需的uv灯，所述uv灯固定安装于所述超声波悬浮支撑件上。

15、更进一步地，所述可移动机械臂包括移动底盘和安装于所述移动底盘顶部的机械臂。

16、更进一步地，所述液滴操作平台为采用玻纤板经过激光切割成边长1mm方格的网状结构，并在所述网状结构表面涂有超疏水涂层。

17、更进一步地，所述液滴操作平台为用于生物打印和生物实验操作的培养皿。

18、更进一步地，还包括用于收集化学实验废液的废液缸、化学实验废弃物垃圾桶以及化学生成物的回收试管。

19、与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

20、本发明的机器人通过控制单元控制液滴生成系统生成液滴，并控制液滴捕获移动系统捕获液滴并转移至液滴操作平台；液滴操作平台用于接收液滴从而实现3d打印或化学反应；控制单元能够控制符合需求的液滴挤出的量与速度；液滴捕获移动系统通过可移动机械臂能够实现声镊执行器的精细移动和大范围移动；因此，在整个过程中，采用本发明的机器人无需实验人员即可完成化学生物实验操作，显著减少人工操作所需的时间，提高了整体的实验效率；机器人对液滴进行操作，节约了化学试剂，节省了反应所需时间，提高反应效率；通过机械臂末端的声镊执行器可对液滴进行精细操控和移动，提高反应准确性和稳定性，便于控制反应的进行，非接触的操作方式能够避免污染。

21、与常见的化学反应机器人相比，本发明的机器人以液滴的操控的方式解决了试剂浪费的问题，通过对液滴的精准操作进行化学反应减少化学反应所需时间，非接触式操作避免试剂与容器壁接触所造成的污染；与微流控芯片相比，本发明的机器人利用全息声镊将液滴悬浮操作，避免液体体积小造成的黏度增大影响操作问题，减少了化学反应所需的时间，减少了实验操作的难度，提高液滴操作的安全性、精确性和经济性。

22、因此，本发明的机器人能够实现实验室自动化液滴操作，减少试剂浪费，避免试剂污染，提高反应安全性；同时，减少化学反应所需时间，提高化学反应效率，精准控制反应的进行；此外，本发明能够减少人工操作所需时间，提高研究效率，提高整体操作的经济性。

技术特征：

1.一种基于声镊的实验室非接触式液滴操作智能移动机器人，其特征在于，包括液滴生成系统、液滴捕获移动系统、液滴操作平台以及控制单元；

2.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述液滴生成系统包括液滴注射泵和注射器；

3.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述声镊执行器为由超声波悬浮支撑件、超声波换能器阵列、控制驱动系统以及上位机组成的双半球声镊；

4.如权利要求3所述的机器人，其特征在于，所述超声波换能器阵列包括分布于每个半球面的36个超声波换能器；所述超声波换能器用于产生频率40khz的正弦超声波。

5.如权利要求3所述的机器人，其特征在于，还包括用于记录液滴操作过程的照相机，所述照相机固定安装于所述超声波悬浮支撑件上。

6.如权利要求3所述的机器人，其特征在于，还包括用于在打印过程中进行光固化操作所需的uv灯，所述uv灯固定安装于所述超声波悬浮支撑件上。

7.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述可移动机械臂包括移动底盘和安装于所述移动底盘顶部的机械臂。

8.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述液滴操作平台为采用玻纤板经过激光切割成边长1mm方格的网状结构，并在所述网状结构表面涂有超疏水涂层。

9.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述液滴操作平台为用于生物打印和生物实验操作的培养皿。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的机器人，其特征在于，还包括用于收集化学实验废液的废液缸、化学实验废弃物垃圾桶以及化学生成物的回收试管。

技术总结
本发明公开了一种基于声镊的实验室非接触式液滴操作智能移动机器人，该机器人的液滴生成系统用于生成液滴；液滴捕获移动系统包括可移动机械臂和安装于可移动机械臂末端的声镊执行器，用于捕获液滴生成系统生成的液滴并以悬浮状态转移至液滴操作平台；液滴操作平台用于接收液滴捕获移动系统移送的液滴；控制单元与液滴生成系统和液滴捕获移动系统信号连接，用于控制液滴生成系统和液滴捕获移动系统动作。上述机器人能够在实验室自主完成基于液滴操作的生物3D打印和化学反应，能够大量节约反应原料，缩短实验所需时间，实现液滴操作自动化，同时，非接触式的液滴操作能够显著提高实验的安全性。

技术研发人员：刘晓明,王乔,刘羽妍,袁渤,李运生
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/9