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| 編輯推薦： |
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微纳米机器人系统的简明版综述，入门，层次清晰，内容精炼，并提供了很多典型案例。本书配有习题答案、教学课件。国内首部微纳米机器人教材
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| 內容簡介： |
本书详细介绍微纳米机器人的设计、加工以及驱动控制系统。全书共分为8章，前3章主要针对微纳米机器人研究方向的基础知识、相关技术、设计原则等进行介绍，并对实际应用中遇到的问题及其解决方案进行概要性阐述;第4章介绍典型微型机器人系统的研究现状、主要技术等，同时选取以胶囊机器人和昆虫为模板的微型机器人进行详细而系统的介绍。第5~7章主要介绍几大典型的场驱动的微纳米机器人系统。书中侧重于几大物理场驱动方式，包括磁场(永磁、电磁、梯度场、匀强场)、光场(光镊、光电镊)、声场(表面波、体波)等物理场非接触驱动方式，并详细阐述从基础理论到微型机器人的设计加工方法以及典型应用。后，基于典型物理场驱动方式，在第8章集中介绍活性生物材料基的微纳米机器人在医学领域的研究内容。
本书层次清晰，内容精炼，详细叙述了微纳米机器人设计中应用到的科学知识，书中给出的典型案例涉及多学科(如机械、电子、自动化、生物、物理、化学等多个学科)的交叉融合，适合于机械工程、微机电系统、生物医学工程以及机器人领域相关专业的高等院校本科生以及研究生作为教材使用。
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| 目錄：
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第1章 绪 论…………………………………………………………………………………… 1
1.1 微纳米机器人系统概述 ………………………………………………………………… 2
1.1.1 微纳米技术概述 …………………………………………………………………… 2
1.1.2 微纳米机器人系统概述 …………………………………………………………… 5
1.2 微纳米机器人操控系统相关研究 ……………………………………………………… 7
1.2.1 显微操作 …………………………………………………………………………… 7
1.2.2 电子显微镜内的微纳米操作 ……………………………………………………… 8
1.3 微纳米机器人系统的应用领域 ………………………………………………………… 8
1.3.1 医学领域 …………………………………………………………………………… 8
1.3.2 能源、军事、环境等领域 ………………………………………………………… 10
1.4 课后习题………………………………………………………………………………… 12
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 12
第2章 微纳米机器人相关基础知识 ………………………………………………………… 16
2.1 微纳尺度的机械力学…………………………………………………………………… 16
2.2 微纳尺度电子学………………………………………………………………………… 17
2.2.1 静电力 …………………………………………………………………………… 17
2.2.2 介电力(介电泳) ………………………………………………………………… 17
2.2.3 电泳力 …………………………………………………………………………… 18
2.2.4 光致介电泳 ……………………………………………………………………… 18
2.3 微纳尺度的流体力学…………………………………………………………………… 19
2.3.1 布朗运动 ………………………………………………………………………… 19
2.3.2 扩散现象 ………………………………………………………………………… 19
2.3.3 雷诺数 …………………………………………………………………………… 19
2.3.4 斯托克斯流 ……………………………………………………………………… 20
2.3.5 毛细现象 ………………………………………………………………………… 20
2.4 课后习题………………………………………………………………………………… __________20
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 21
第3章 微纳米机器人系统的相关技术 ……………………………………………………… 22
3.1 微观纳米尺度的材料科学……………………………………………………………… 22
3.1.1 接触角理论模型 ………………………………………………………………… 22
3.1.2 亲水性材料 ……………………………………………………………………… 23
3.1.3 疏水性材料 ……………………………………………………………………… 23
3.2 微观纳米尺度的显微镜科学…………………………………………………………… 25
3.2.1 光学显微镜 ……………………………………………………………………… 27
3.2.2 电子显微镜 ……………………………………………………………………… 28
3.2.3 扫描探针显微镜 ………………………………………………………………… 29
3.3 微型纳米尺度的制造技术……………………………………………………………… 33
3.3.1 光刻技术 ………………………………………………………………………… 33
3.3.2 3D打印技术 ……………………………………………………………………… 33
3.3.3 微流体芯片加工制造技术 ……………………………………………………… 36
3.3.4 自组装技术 ……………………………………………………………………… 37
3.4 微纳米尺度中驱动技术………………………………………………………………… 38
3.5 课后习题………………………………………………………………………………… 42
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 42
第4章 胶囊机器人 …………………………………………………………………………… 46
4.1 背 景…………………………………………………………………………………… 46
4.2 市场上成功的商业胶囊机器人………………………………………………………… 47
4.2.1 胶囊机器人使用环境特性 ……………………………………………………… 47
4.2.2 典型胶囊机器人产品 …………………………………………………………… 47
4.3 无线通信原理…………………………………………………………………………… 49
4.3.1 无线频谱 ………………………………………………………………………… 49
4.3.2 传输天线 ………………………………………………………………………… 50
4.3.3 无线传输特性 …………………………………………………………………… 50
4.3.4 无线传输路径 …………………………………………………………………… 51
4.3.5 无线传输技术 …………………………………………………………………… 52
4.4 胶囊机器人系统组成…………………………………………………………………… 53
4.4.1 运动系统 ………………………………………………………………………… 53
4.4.2 图像采集系统 …………………………………………………………………… 57
4.4.3 无线图像传输系统 ……………………………………………………………… 58
4.4.4 诊断和治疗的工具系统 ………………………………………………………… 60
4.4.5 能源供应系统 …………………………………………………………………… 62
4.4.6 定位系统 ………………………………………………………………………… 62
4.5 微型生物机器人………………………………………………………………………… 62
4.5.1 微型生物机器人概述 …………………………………………………………… 63
4.5.2 神经电刺激原理 ………………………………………………………………… 63
4.5.3 无线遥测技术 …………………………………………………………………… 65
4.5.4 昆虫机器人 ……………………………………………………………………… 66
4.5.5 拓展应用 ………………………………………………………………………… 72
4.6 小 结…………………………………………………………………………………… 77
4.7 课后习题………………………………………………………………………………… 78
参考文献 ……………………………………………………………………………………… 79
第5章 磁场驱动的微纳米机器人系统 ……………………………………………………… 85
5.1 磁场的基本概念和原理………………………………………………………………… 85
5.1.1 磁性和磁化 ……………………………………………………………………… 85
5.1.2 磁场的发生和驱动原理 ………………………………………………………… 86
5.1.3 磁性执行器实例分析 …………………………………………………………… 88
5.2 永磁体作为驱动源的磁执行器系统…………………………………………………… 90
5.2.1 执行系统的微流控芯片环境 …………………………………………………… 91
5.2.2 以生物细胞/组织为操作目标的磁执行器 ……………………………………… 99
5.2.3 以为操作目标的永磁执行器 ………………………………………… 101
5.3 电磁线圈作为驱动源的磁执行器系统 ……………………………………………… 104
5.3.1 电磁系统搭建 …………………………………………………………………… 105
5.3.2 梯度场驱动 ……………………………………………………………………… 107
5.3.3 振荡磁场驱动 …………………………………………………………………… 108
5.3.4 旋转磁场驱动 …………………………………………………………………… 111
5.3.5 机器人集群运动 ………………………………………………………………… 114
5.4 课后习题 ……………………………………………………………………………… 116
参考文献……………………………………………………………………………………… 116
第6章 光场驱动微操作系统………………………………………………………………… 124
6.1 光 镊 ………………………………………………………………………………… 124
6.1.1 基本概念及原理 ………………………………………………………………… 124
6.1.2 光镊发展及分类 ………………………………………………………………… 128
6.1.3 典型应用案例 …………………………………………………………………… 128
6.2 光电镊 ………………………………………………………………………………… 134
6.2.1 基本概念和原理 ………………………………………………………………… u8230 \\3134
6.2.2 光电镊发展 ……………………………………………………………………… 138
6.2.3 典型应用案例 …………………………………………………………………… 140
6.3 课后习题 ……………………………………………………………………………… 145
参考文献……………………………………………………………………………………… 145
第7章 声波驱动微纳米机器人系统………………………………………………………… 150
7.1 声学及流体力学基本概念和原理 …………………………………………………… 150
7.1.1 声学基本理论 …………………………………………………………………… 150
7.1.2 流体力学基本理论 ……………………………………………………………… 155
7.1.3 声流理论 ………………………………………………………………………… 159
7.1.4 声辐射力 ………………………………………………………………………… 160
7.2 声波驱动微纳米机器人系统案例 …………………………………………………… 162
7.2.1 基于声辐射力的微纳驱动与执行 ……………………………………………… 162
7.2.2 基于声流的微纳驱动与执行 …………………………………………………… 163
7.3 课后习题 ……………………………………………………………………………… 170
参考文献……………………………………………………………………………………… 170
第8章 生物基微纳米机器人………………………………………………………………… 172
8.1 生物微纳米机器人 …………………………………………………………………… 172
8.1.1 基于生物杂交细菌的主动给药微纳机器人 …………………………………… 173
8.1.2 基于真核细胞的药物递送微纳机器人 ………………………………………… 173
8.1.3 细胞基微纳机器人面临的挑战与未来展望 …………………………………… 178
8.2 生物膜伪装纳米颗粒微纳米机器人 ………………………………………………… 178
8.2.1 红细胞膜伪装的微纳米机器人 ………………………………………………… 179
8.2.2 血小板膜伪装的微纳米机器人 ………………………………………………… 180
8.2.3 外泌体伪装的微纳米机器人 …………………………………………………… 182
8.3 生物相容性微纳米机器人 …………………………………………………………… 183
8.3.1 可变形高分子载体 ……………………………………………………………… 184
8.3.2 可变形蛋白载体 ………………………………………………………………… 185
8.3.3 DNA折纸机器人 ……………………………………………………………… 185
8.4 仿生微纳米机器人 …………………………………………………………………… 186
8.4.1 生物结构及运动机制分析 ……………………………………………………… 188
8.4.2 集群和自组织行为 ……………………………………………………………… 192
8.5 课后习题 ……………………………………………………………………………… 194
参考文献……………………………………………………………………………………… 194
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| 內容試閱：
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微纳米机器人技术是一门迅速发展的综合性前沿技术，也是非常年轻的一个研究方向。随着微机电系统(MEMS)以及微纳米技术的发展，微型机器人的设计以及驱动控制技术已经成为机器人技术等方向的重要研究目标，同时也是各个国家尖端科学研究的必争之地。而凭借着体积小、能耗低等优势将微机电系统引入机器人领域，给微纳米科学、生物医学等研究带来了重大突破。
自20世纪70年代美国为满足军事需求开展研究以来，在近几十年的时间里，微型机器人取得了巨大的发展。微型机器人的应用领域也不再局限于军事领域，在小型复杂产品的组装、搜寻救援、集群行为的研究、医疗等诸多领域，微型机器人也得到广泛的应用。与传统机器人相比，早期微型机器人的尺寸一般在厘米级;随着微电子技术的发展，微型机器人已经可以被制造到微米级甚至是纳米级，这使得微型机器人可以完成很多传统机器人无法完成的工作，比如进行军事监控、狭小空间内的作业、单细胞微手术操作以及人体内部精确的靶向药物递送等。同时，微型机器人还可以模仿蚂蚁等集群动物，集群协作完成特定的任务，这对于研究生物的集群行为和机制有着重要的意义。
本书将主要讨论微纳米级的机器人系统，从机器人的设计加工制造以及驱动控制系统等方面展开介绍，力图将微纳米机器人技术所涉及的物理、化学、材料、机械等领域的基础知识以及微纳米机器人领域各种驱动控制方法融于一体，使读者通过阅读本书获得对微纳米机器人技术的全面认识。同时，通过对微纳米机器人的设计、加工、制造工艺流程等的介绍，学习微纳制造技术的基础知识，并通过对微纳米机器人典型驱动模式以及案例的详细介绍，使读者可以更加轻松准确地对微纳米机器人建立直观的认识。因此，本书适合于作为机械工程、微机电系统、生物医学工程等专业方向的本科生教材和研究生的微纳米机器人技术导论性教材。本书本质上是微纳米机器人系统的简明版综述，章节编排合理，逻辑简单明了，通俗易懂，更可以作为有志于从事微纳米机器人相关领域科技工作者的参考书。
芯片上的微纳米机器人、靶向给药微纳米机器人、芯片上的实验室相关内容，是作者10多年科研工作的结晶，是原创性内容。关于光电镊、超声驱动等方面的内容也有不少是作者与工作过的日本东北大学、日本名古屋大学以及日本东京大学Fumihito Arai教授实验室共同合作的原创成果。本书的很多章节是在作者广泛阅读大量参考图书和文献的基础上编著而成的，在使用他人的研究成果时都尽力标注明确的文献出处，方便读者延伸阅读，拓展知识面。本书侧重于微纳米机器人在生物医学工程领域的应用，帮助有志于从事该方面研究的读者对微纳米机器人有一个基本的认识。
本书共分为8章。第1章绪论主要介绍微纳米机器人系统的背景，第2章和第3章主要介绍微纳米机器人的相关基础知识和相关技术，由冯林教授主笔，张超楠博士、杨家鹏博士配合完成;第4章主要介绍微型机器人系统，包括胶囊机器人系统和仿生微小型生物机器人，由韦君一博士、宋理、周强、王凤梧编写;第5章主要介绍磁驱动微纳米机器人系统，由戴玉国、陈迪晓、纪易明、展光东、王楚天编写;第6章讲述光控微纳米机器人系统，包括光镊以及光电镊系统，由梁树璋、甘淳元和曹宇擎编写;第7章介绍了声驱动微纳米机器人系统，由宋斌、张薇等编写;第8章介绍了基于生物材料细胞组织的微纳米机器人系统，由白雪博士、冯艳敏博士、孙洪岩博士、王禄瑶等合作完成。全体作者参加了各章节的审阅和修改，冯林教授、陈华伟教授、张德远教授完成了整体的把关和后的审校。
作 者
2021年10月
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