一种磁性颗粒的可编程式控制装置及方法

本发明属于磁性微颗粒应用领域，具体涉及一种磁性颗粒的可编程式控制装置及方法。

背景技术：

1、近年来，人们对低雷诺数环境下运动的微结构进行了广泛的研究。磁性颗粒的不同形态已被众多学者研究，管式磁性颗粒、金属棒状磁性颗粒、雪人状等，而其中研究更广泛的为球形磁性颗粒。由于其够将自身的化学能转化为机械能进行自驱运动，且球形具有更好的对称性及相关研究较多，在污染物降解、药物输运、单细胞操控等方面具有重要的应用前景。

2、在任何一种情况下，磁性颗粒的对称性都必须被分为性质活跃和不活跃的两部分。而对于粒径较大、能进行自驱运动的微颗粒，此时运动轨迹随机分布。近几十年来，人们通过施加外场的方式引导磁性颗粒定向运动。使用外部场作为控制磁性颗粒运动这一手段提供了许多重要的优点，因为能量可以远程提供、精确控制，并且不会像其他系统那样随时间衰减。目前利用磁场操控相关物体运动时，多为手动调控信号发生器波形、频率、幅值等，对于磁场相反方向的调控则是改变正负极连接方式，因此，需要多人配合操作、不能实时改变各种参数，手动操控在时间上具有一定的延滞性，效率较低。因此，更高驱动效率、更精准实时的定向操控正是所追寻的。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种磁性颗粒的可编程式控制装置及方法，利用手柄操控可以实时控制磁性颗粒运动方向及运动模式，开发二维软件界面，设计不同模块可以在界面实时显示操控方向、操控参数，实现对二维磁场方向任意微调、操控的功能。本发明采用编程的方式改变手柄功能键，与磁控平台相结合施加外源磁场，从而达到实时控制磁性颗粒运动的目的，具有可操作性强、交互性好、响应时间快的优势。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：。

3、一种磁性颗粒的可编程式控制装置，包括可编程系统和控制系统；所述可编程系统利用编程手段改变手柄按键功能，通过所开发的软件界面实时反应磁场操控方向及系统参数；

4、所述控制通过外源磁场产生均匀磁场，控制磁性颗粒运动，包括手柄、电脑、信号发生器、功率放大器、凹槽支架、三维亥姆霍兹线圈、倒置显微镜；所述手柄包括摇杆、旋转功能键a、右前按钮和停止功能键x、功能键、左前按钮；所述摇杆控制二维水平面内任意磁场方向；所述的旋转功能键a为施加旋转磁场时的功能按键；所述的右前按钮用于改变旋转磁场的频率；所述的停止功能键x用于关闭施加的水平磁场；所述的功能键用于开关竖直方向磁场；所述的左前按钮用于阶跃式增大磁场电压值；

5、所述凹槽支架用于放置玻片，所述手柄与电脑相连，通过软件识别连接信号发生器的输入端，操控手柄的摇杆及旋转功能键、停止功能键在电脑的软件界面实时显示磁场的操控方向，输出信号发生器的波形号及设定电压值；信号发生器的输出端接入功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接着三维亥姆霍兹线圈的输入端，所述三维亥姆霍兹线圈有三对，所述的三对亥姆霍兹线圈均匀分布在凹槽支架的上、下、左、右、前、后六个方向，所述三维亥姆霍兹线圈的输出端产生均匀磁场，从而改变放置在凹槽支架上的玻片内的磁性颗粒方向，所述的三维亥姆霍兹线圈置于倒置显微镜平台上。

6、进一步地，所述凹槽支架为三维亥姆霍兹空腔内的微小型载物台。

7、进一步地，所述的软件界面利用键盘输入手柄的旋转频率、最大电压，显示水平运动方向，利用输出窗口显示和操控参数。

8、进一步地，所述的磁性颗粒以中空玻璃微珠为基底，微珠的一半覆盖化学反应金属层及磁性层。

9、进一步地，所述的磁性颗粒直径为20μm～100μm，所述的金属层厚度为20nm，磁性层厚度为40nm。

10、进一步地，所述的手柄利用摇杆控制磁场方向，停止功能键x、旋转功能键a分别用于关闭磁场和旋转磁场，左前按钮控制竖直方向磁场的步长递增或递减值。

11、进一步地，所述的可编程系统包括方向显示模块、窗口输出模块、参数值控制模块、端口连接模块。

12、进一步地，所述可编程系统设定磁场的频率值、电压大小、竖直方向输入电压及步长，并输出到信号发生器。

13、本发明还提供一种根据上述的一种磁性颗粒的可编程式控制方法，包括如下步骤：

14、步骤1、组装控制装置，将手柄与电脑相连，电脑的连接信号发生器识别com口为输入端，输出端接入功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接到三维亥姆霍兹线圈的输入端从而产生磁场；

15、步骤2、将磁性颗粒置于滴加溶液的玻片上，设置相关参数，操控手柄的摇杆及功能键控制磁场方向，从而操控马达运动；

16、步骤3、观察并记录颗粒在磁场操控下的运动方向及状态。

17、进一步地，所述的手柄的旋转功能键a实现旋转功能，信号发生器产生的旋转磁场，通过信号发生器和功率放大器施加到三维亥姆霍兹线圈，使得磁性颗粒做高速旋转运动，操控摇杆切换水平方向时，磁场方向发生改变，使得磁性颗粒做定向运动；

18、所述左前按钮用于竖直的z方向磁场的逐级递加或递减，基于三维亥姆霍兹线圈，切换停止功能键x，使得水平的磁场消失，操控手柄的左前按钮，三维亥姆霍兹线圈只产生竖直的z方向磁场，调节竖直的z方向电压范围及步长值，从而改变磁性颗粒生成气泡的大小及周期，从而改变其运动速度及模式。

19、本发明的有益效果为：

20、1.本发明提出了一种新磁性颗粒操控方法，代替了原有利用信号发生器调节参数具有时间上的滞后性以及效率不高的问题，设计合理，可操作性强；

21、2.本发明开发了一种软件系统，通过软件不同模块能够改变信号发生器参数，与手柄功能键相对应，手柄所控制的磁场方向在软件界面内直观显示，操控功能键参数由软件界面实时输出；

22、3.本发明利用三维亥姆霍兹线圈可以从水平及竖直方向上操控磁性颗粒的运动方向及运动模式，通过改变软件界面参数改变磁性颗粒运动速度。

23、本发明利用游戏手柄可以实时切换磁场方向，操控磁性颗粒运动方向及模式，从而进行组合运动。外部磁场对手柄操控的延迟时间可缩短至50ms，相对手动改变正负极接入及长时间范围内颗粒的连续运动可忽略不计。其运动的最大速度可达～0.1m/s，而操控竖直方向磁场大小的改变使磁性颗粒运动模式发生改变，速度可相差三倍。同时磁性颗粒还具备货物输运与释放、通道清扫以及微组装的功能。本发明解决了单人操作不便，降低实验效率的问题。即利用信号发生器手动改变波形或频率来控制磁场方向，以及利用编程预设定路线，通过程序设定改变磁场方向从而操控磁性颗粒运动的单一化操作的问题。

技术特征：

1.一种磁性颗粒的可编程式控制装置，其特征在于：包括可编程系统和控制系统；所述可编程系统利用编程手段改变手柄按键功能，通过所开发的软件界面实时反应磁场操控方向及系统参数；

2.根据权利要求1所述的一种可编程式磁性颗粒控制装置，其特征在于：所述凹槽支架为三维亥姆霍兹空腔内的微小型载物台。

3.根据权利要求1所述的一种可编程式磁性颗粒控制装置，其特征在于：所述的软件界面利用键盘输入手柄的旋转频率、最大电压，显示水平运动方向，利用输出窗口显示和操控参数。

4.根据权利要求1所述的一种可编程式磁性颗粒控制装置，其特征在于：所述的磁性颗粒以中空玻璃微珠为基底，微珠的一半覆盖化学反应金属层及磁性层。

5.根据权利要求4所述的一种可编程式磁性颗粒控制装置，其特征在于：所述的磁性颗粒直径为20μm～100μm，所述的金属层厚度为20nm，磁性层厚度为40nm。

6.根据权利要求4所述的一种可编程式磁性颗粒控制装置，其特征在于：所述的手柄利用摇杆控制磁场方向，停止功能键x、旋转功能键a分别用于关闭磁场和旋转磁场，左前按钮控制竖直方向磁场的步长递增或递减值。

7.根据权利要求1所述的一种可编程式磁性颗粒控制装置，其特征在于：所述的可编程系统包括方向显示模块、窗口输出模块、参数值控制模块、端口连接模块。

8.根据权利要求4所述的一种可编程式磁性颗粒控制装置，其特征在于：所述可编程系统设定磁场的频率值、电压大小、竖直方向输入电压及步长，并输出到信号发生器。

9.根据权利要求1-8之一所述的一种可编程式磁性颗粒控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述的手柄的旋转功能键a实现旋转功能，信号发生器产生的旋转磁场通过信号发生器和功率放大器施加到三维亥姆霍兹线圈，使得磁性颗粒做高速旋转运动；操控摇杆切换水平方向时，磁场方向发生改变，使得磁性颗粒做定向运动；

技术总结
本发明提供一种磁性颗粒的可编程式控制装置及方法，其由电脑、亥姆霍兹线圈、信号发生器、功率放大器、手柄、倒置显微镜组成。其利用编程手段改变手柄按键功能，开发手柄软件界面，操作手柄摇杆、功能键等控制信号发生器，改变其波形、电流及频率大小，并通过功率放大器放大信号集成到磁控平台上。利用亥姆霍兹线圈产生均匀磁场，将玻片置于三维亥姆霍兹线圈凹槽支架内，滴入磁性颗粒混合溶液，操控手柄实时调整磁性颗粒的运动方向及模式，通过软件输出界面实时手柄操控方向及磁场具体参数，利用显微镜观察磁性颗粒运动并通过软件存储记录。本发明具有操作方便、磁性颗粒运动方向三维可调、响应时间更快等优点。

技术研发人员：王雷磊,崔海航,郑旭,陈力,盛敏佳,黄明华
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27