一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置的制作方法

1.本发明涉及水质监测、水上侦查领域及微流控技术领域，特别是涉及一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置。

背景技术：

2.水黾和水蜘蛛等水上昆虫依靠阿基米德浮力和水的表面张力浮于水面并且自由行走，因其支撑脚的表面具有超疏水性，水上昆虫单根支撑脚所获的最大浮力能够承15倍自身的重量，使其在水面上具有足够的稳定性来抵御外界的影响。利用这一自然现象，近年来国内外的许多研究学者以水上昆虫为原型仿造一种能够在水上自由运动的仿生水上机器人，主要用于水上救援、水质监测及水上侦查等领域。关于仿生水上机器人的研究正处于发展阶段，因为其驱动方式、控制方式、能源供应方式和材料选型等原因导致其存在体量过大、负载能力小、稳定裕量小等问题。
3.随着微流控技术的发展使得液滴成为了生物医学、微化工中一种常用的药物、细胞、胶体颗粒、反应物的载体，所述液滴的尺寸通常属于微米级别，对该类液滴的精准控制、输运是微流控技术的关键。当前液滴操控的方法包括电润湿法、介电泳法、热毛细管法和磁泳法，这些方法通过在液滴周围施加外力场，从而实现液滴的分离、融合和输运。为了高效快速的将不同液滴应用到不同领域实现多种功能，需要一种可以定向输运液滴的装置，避免液滴因外力场(强电场或高温场)的直接作用破坏其自身的样本活性。

技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是如何提供一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，提出一种新的驱动方式(利用温度梯度产生的表面张力差驱动装置在液面上定向移动)简化仿生水上机器人的机械结构，实现尺寸微型化，优化了其自身的负载能力、空间尺寸和稳定性。同时，因其可以负载液滴后在液面上自由移动，微型水上探测及运输装置也可以作为一种微流体定向输运的装置应用于微流控技术领域，为液滴的精准控制与输运提供新的解决方案。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
6.一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，包括微型水上探测及运输装置底板、微型水上探测及运输装置盖板、四个热端头、微电池模块、微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线、信号传感器和无线遥控装置；
7.所述微型水上探测及运输装置底板和微型水上探测及运输装置盖板连接构成密封结构，所述微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线和信号传感器设置在密封结构的封闭空间内；
8.所述微型水上探测及运输装置盖板的中心处设有容纳凹槽，被控液滴或颗粒放置在容纳凹槽内；
9.所述四个热端头分别安装在封闭结构的四个方位；
10.所述微电池模块固定在微型无线信号发射芯片或微型无线信号接收芯片上，用于所述微型水上探测及运输装置上各个元器件的供电；所述绝缘电线用于连接微电池模块与热端头之间的线路；
11.所述无线遥控装置向微型无线信号接收芯片发出控制信号驱动微型水上探测及运输装置的二维运动；所述微型无线信号发射芯片将信号传感器采集到的位置信号、电量信号及水质状况的综合指标参数同时上传至无线遥控装置及数据终端服务器。
12.其中，所述微型水上探测及运输装置底板上设置有用于安装微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线及信号传感器的安装凹槽。
13.其中，所述微型水上探测及运输装置底板的侧面的内壁面设有阶梯型凹台，与微型水上探测及运输装置盖板之间采用阶梯型嵌合密封的方式构成密封结构。
14.其中，所述阶梯型凹台与微型水上探测及运输装置盖板之间设置有橡胶片，橡胶片与阶梯型凹台和微型水上探测及运输装置盖板通过密封防水胶贴合。
15.其中，所述密封结构为四叶梅花状的柱体结构，其长和宽相同，且高度小于长或宽；四叶梅花状的柱体结构是在正方体的四个边上设有等腰三角形的等腰凹槽，所述等腰凹槽的中心点与正方体四个边长的中心点重合。
16.其中，所述正方体的边长小于12mm，等腰凹槽的底边长小于正方形边长的1/3，顶角大于10
°
且小于170
°
。
17.其中，所述热端头设置在等腰凹槽的底部，热端头的轴线与水面平行，当所述微型水上探测及运输装置放置在水面上时，热端头的局部侧面可以浸入水中。
18.其中，所述信号传感器包括微型定位器、电量采集器及各项水面探测和水质信号监测的传感器。
19.其中，所述无线遥控装置上设有电源开关、显示屏、确认键、退出键及四个控制按钮，所述四个控制按钮分别与四个热端头对应，用于控制热端头的通电状态，从而驱动微型水上探测及运输装置的二维运动；所述显示屏用于显示接收到的信号数据。
20.综上，本发明具有以下有益效果：
21.1、本发明提出的表面张力驱动的微型水上探测及运输装置尺寸小、低能耗、具有可靠的驱动方式。其尺寸属于微米级别，表面具有超疏水性，表面张力能够提供足够的浮力确保其在任何液面波动的情况下都浮于水面。
22.2、本发明可根据水面侦查需要使用高性能服务器同时操控数十个微型水上探测及运输装置同时采集不同位置的水质状况性能参数。
23.3、本发明可根据液滴输运、样品反应及样品制备的需要使用高性能服务器同时操控数十个微型水上探测及运输装置，在几分钟及更短的时间能完成液滴输运及样品制备及反应的工作。
24.4、本发明提出的表面张力驱动的微型水上探测及运输装置在不破坏被控液滴和颗粒活性的情况下(不影响液滴和颗粒的ph值、表面电荷、温度及粘度等参数)，为生物、化学和医学分析过程中的样品制备、混合、反应及运输提供新的解决方案。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说
明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
26.图1为表面张力驱动的微型水上探测及运输装置的结构示意图。
27.图2为表面张力驱动的微型水上探测及运输装置的定向运动俯视图。
28.图3为微型水上探测及运输装置底板(1)与微型水上探测及运输装置盖板(2)之间的阶梯型嵌合密封结构示意图。
29.图4为表面张力驱动的微型水上探测及运输装置运动的工作原理示意图。
30.图5为本发明实施例1水质监测时微型水上探测及运输装置的二维运动示意图。
31.图6为本发明实施例2微型水上探测及运输装置作为样品微反应器的结构示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“上、下”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
33.如图1-4所示，一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，包括微型水上探测及运输装置底板、微型水上探测及运输装置盖板、四个热端头、微电池模块、微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线、信号传感器和无线遥控装置；
34.所述微型水上探测及运输装置底板和微型水上探测及运输装置盖板连接构成密封结构，所述微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线和信号传感器设置在密封结构的封闭空间内；
35.所述表面张力驱动的微型水上探测及运输装置作为一种可以定向输运液滴或颗粒的装置时，所述微型水上探测及运输装置盖板的中心处设有容纳凹槽，被控液滴或颗粒放置在容纳凹槽内；容纳凹槽为圆柱型凹槽；当微型水上探测及运输装置作为一种微型反应器时，随着其旋转或来回的运动，液滴里混合的反应物得到充分混合及反应；
36.所述四个热端头分别安装在封闭结构的四个方位；
37.所述微电池模块固定在微型无线信号发射芯片或微型无线信号接收芯片上，用于所述微型水上探测及运输装置上各个元器件的供电；所述绝缘电线用于连接微电池模块与热端头之间的线路，实现为热端头供电加热的功能；所述微型无线信号发射芯片及微型无线信号接收芯片的芯片面积为几mm2到80mm2；
38.所述无线遥控装置向微型无线信号接收芯片发出控制信号驱动微型水上探测及运输装置的二维运动；所述微型无线信号发射芯片将信号传感器采集到的位置信号、电量信号及水质状况的综合指标参数同时上传至无线遥控装置及数据终端服务器。
39.本实施例中，所述微型水上探测及运输装置底板上设置有用于安装微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线及信号传感器的安装凹槽。安装凹槽形状与对应器件的空间尺寸匹配。
40.本实施例中，所述微型水上探测及运输装置底板的侧面的内壁面设有阶梯型凹台，与微型水上探测及运输装置盖板之间采用阶梯型嵌合密封的方式构成密封结构。
41.本实施例中，所述阶梯型凹台与微型水上探测及运输装置盖板之间设置有橡胶片，橡胶片与阶梯型凹台和微型水上探测及运输装置盖板通过密封防水胶贴合。达到其防水防尘的密封效果。
42.本实施例中，所述密封结构为四叶梅花状的柱体结构，其长和宽相同，且高度小于长或宽；四叶梅花状的柱体结构是在正方体的四个边上设有等腰三角形的等腰凹槽，所述等腰凹槽的中心点与正方体四个边长的中心点重合。
43.本实施例中，所述正方体的边长小于12mm，等腰凹槽的底边长小于正方形边长的1/3，顶角大于10
°
且小于170
°
。
44.本实施例中，所述热端头设置在等腰凹槽的底部，热端头的轴线与水面平行，当所述微型水上探测及运输装置放置在水面上时，热端头的局部侧面可以浸入水中。
45.本实施例中，所述信号传感器包括微型定位器、电量采集器及各项水面探测和水质信号监测的传感器。主要检测水质状况的综合指标，包括温度、浊度、ph值及酚、氰、砷和有机农药等有毒物质的检测，具体可根据水面探测及的需求选型设计。
46.本实施例中，所述无线遥控装置上设有电源开关、显示屏、确认键、退出键及四个控制按钮，所述四个控制按钮分别与四个热端头对应，用于控制热端头的通电状态，从而驱动微型水上探测及运输装置的二维运动；所述显示屏用于显示接收到的信号数据。
47.本实施例中，所述微型水上探测及运输装置底板与微型水上探测及运输装置盖板选用耐高温、低密度的硬质塑料制作(塑料表面需进行超疏水处理)，内壁的凹槽可采用光刻和刻蚀等加工工艺。
48.本实施例中，所述热端头可采用导热性好的金属材料(包括但不限于紫铜、红铜、铁或镍)。
49.本实施例中，电池模块包括支持无线电力传输的微型电池及超小型充电ic(可选用但不限于多功能超小型充电ic-xc6810系列，支持充放电控制、无线供电及电池电压监测通知功能，尺寸约为1.5mm2)。
50.本实施例中，所述微型无线信号发射芯片及微型无线信号接收芯片为超微型无线传输芯片，信号功率为几百微瓦，消耗的电能是几毫伏，芯片面积为几mm2到350mm2。(微型无线信号发射芯片及接收芯片可选用但不限于dielet芯片，尺寸为116μmx116μm，该芯片不需要电池，能够在无线供电的环境下实现双向无线通信)。
51.该表面张力驱动的微型水上探测及运输装置运动的工作原理为：
52.操作人员使用无线遥控装置操控热端头301-热端头304对应的按钮，当按下热端头302和热端头303对应按钮后，微型无线信号接收芯片6将接收的信号传输至控制电路，热端头302和热端头303的供电线路闭合后温度迅速上升，同时，与热端头302及热端头303接触的固液界面温度上升、液面表面张力减小，沿着微型水上探测及运输装置底板1的固液界面表面张力不变，此时微型水上探测及运输装置受到表面张力差的作用，沿着速度v的方向移动，速度v的方向为f
σ302
和f
σ303
合力的反方向。
53.实施例1
54.请参阅说明书附图图1，该表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，包括微型水上探测及运输装置底板1；微型水上探测及运输装置盖板2；热端头(包括热端头301-热端头304)3；微电池模块4；微型无线信号发射芯片5；微型无线信号接收芯片6；绝缘电线7；信号
传感器8和无线遥控装置。
55.所述信号传感器8包括微型定位器、电量采集器及各项水面探测和水质信号监测的传感器，主要检测水质状况的综合指标，包括温度、浊度、ph值及酚、氰、砷和有机农药等有毒物质的检测。信号传感器8设置在微型水上探测及运输装置底板1和微型水上探测及运输装置盖板2的外表面，当底板1接触液面时，底板外的信号传感器8采集数据，当盖板2接触液面时，底盖板外的信号传感器8采集数据。
56.请参阅图5，当前需要检测位置b区域的水质状况参数，操作人员位置在a区域，将微型水上探测及运输装置放置在a区域水中后，在无线遥控装置上按下
‘
电源开关’键，微型水上探测及运输装置的电源打开，同时显示屏上显示微型水上探测及运输装置的剩余电量，操作人员设置好目标区域b的位置信息(经度、纬度及范围半径)后，显示屏上显示起始位置与目标区域的相对位置示意图。
57.随后，操作人员根据相对位置按下热端头304和热端头303对应的按钮，微型水上探测及运输装置沿着速度v1的方向移动，速度v1的方向为f
σ304
和f
σ303
合力的反方向。当微型水上探测及运输装置移动到b区域的水平线附近时，操作人员按下热端头301和热端头304对应的按钮，微型水上探测及运输装置沿着速度v2的方向移动，速度v2的方向为f
σ301
和f
σ304
合力的反方向。
58.待微型水上探测及运输装置移动到b区域内时，操作人员按下“确认”键后，信号传感器采集当前的位置信号及水质状况的综合指标数据，微型无线信号发射芯片将采集到的数据发送同时上传至无线遥控装置及数据终端服务器。操作人员可以在无线遥控装置上查看实时数据，上传至数据终端服务器的数据存储在数据库内，用于后期的大数据分析及智能监测报表制作。
59.完成数据采集后，操作人员按下“退出”键后，信号传感器停止数据采集，操作人员按下热端头控制按钮操控微型水上探测及运输装置返回至a位置，最后按下
‘
电源开关’键关闭微型水上探测及运输装置及无线遥控装置。
60.实施例2
61.请参阅图6，该表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，包括微型水上探测及运输装置底板1；微型水上探测及运输装置盖板2；热端头(包括热端头301-热端头304)3；微电池模块4；微型无线信号发射芯片5；微型无线信号接收芯片6；绝缘电线7；无线遥控装置，与实施例1的不同在于没有设置信号传感器8。
62.所述表面张力驱动的微型水上探测及运输装置作为一种可以定向输运液滴或颗粒的装置，所述微型水上探测及运输装置盖板2的中心处设有圆柱型凹槽202，被控液滴或颗粒放置在凹槽202内。操控人员使用无线遥控装置控制微型水上探测及运输装置运动至指定位置，具体运动过程与实施例1类似，这里不做赘述。
63.实施例3
64.请参阅图6，与实施例2结构一致，当所述微型水上探测及运输装置作为一种微型反应器时。首先操作人员将所述微型水上探测及运输装置放置在控制平台内，所述控制平台内装有一定深度的水。
65.操作人员将含有不同药物和反应物的液滴先后注射至凹槽202内，使用无线遥控装置控制微型水上探测及运输装置做往返运动或者旋转运动，加速凹槽202内液滴的混合
或反应物的充分反应。
66.最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等统计数的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

技术特征：

1.一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，包括微型水上探测及运输装置底板、微型水上探测及运输装置盖板、四个热端头、微电池模块、微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线、信号传感器和无线遥控装置；所述微型水上探测及运输装置底板和微型水上探测及运输装置盖板连接构成密封结构，所述微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线和信号传感器设置在密封结构的封闭空间内；所述微型水上探测及运输装置盖板的中心处设有容纳凹槽，被控液滴或颗粒放置在容纳凹槽内；所述四个热端头分别安装在封闭结构的四个方位；所述微电池模块固定在微型无线信号发射芯片或微型无线信号接收芯片上，用于所述微型水上探测及运输装置上各个元器件的供电；所述绝缘电线用于连接微电池模块与热端头之间的线路；所述无线遥控装置向微型无线信号接收芯片发出控制信号驱动微型水上探测及运输装置的二维运动；所述微型无线信号发射芯片将信号传感器采集到的位置信号、电量信号及水质状况的综合指标参数同时上传至无线遥控装置及数据终端服务器。2.根据权利要求1所述的一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，所述微型水上探测及运输装置底板上设置有用于安装微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线及信号传感器的安装凹槽。3.根据权利要求1所述的一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，所述微型水上探测及运输装置底板的侧面的内壁面设有阶梯型凹台，与微型水上探测及运输装置盖板之间采用阶梯型嵌合密封的方式构成密封结构。4.根据权利要求3所述的一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，所述阶梯型凹台与微型水上探测及运输装置盖板之间设置有橡胶片，橡胶片与阶梯型凹台和微型水上探测及运输装置盖板通过密封防水胶贴合。5.根据权利要求3所述的一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，所述密封结构为四叶梅花状的柱体结构，其长和宽相同，且高度小于长或宽；四叶梅花状的柱体结构是在正方体的四个边上设有等腰三角形的等腰凹槽，所述等腰凹槽的中心点与正方体四个边长的中心点重合。6.根据权利要求5所述的一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，所述正方体的边长小于12mm，等腰凹槽的底边长小于正方形边长的1/3，顶角大于10
°
且小于170
°
。7.根据权利要求5所述的一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，所述热端头设置在等腰凹槽的底部，热端头的轴线与水面平行，当所述微型水上探测及运输装置放置在水面上时，热端头的局部侧面可以浸入水中。8.根据权利要求1所述的一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，所述信号传感器包括微型定位器、电量采集器及各项水面探测和水质信号监测的传感器。9.根据权利要求1所述的一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，其特征在于，所述无线遥控装置上设有电源开关、显示屏、确认键、退出键及四个控制按钮，所述四个控制按钮分别与四个热端头对应，用于控制热端头的通电状态，从而驱动微型水上探测及运
输装置的二维运动；所述显示屏用于显示接收到的信号数据。

技术总结

本发明涉及一种表面张力驱动的微型水上探测及运输装置，包括微型水上探测及运输装置底板、微型水上探测及运输装置盖板、四个热端头、微电池模块、微型无线信号发射芯片、微型无线信号接收芯片、绝缘电线、信号传感器和无线遥控装置；微型水上探测及运输装置盖板的中心处设有用于放置被控液滴或颗粒的容纳凹槽；四个热端头分别安装在封闭结构的四个方位；无线遥控装置向微型无线信号接收芯片发出控制信号驱动微型水上探测及运输装置的二维运动；微型无线信号发射芯片将信号传感器采集到的位置信号、电量信号及水质状况的综合指标参数同时上传至无线遥控装置及数据终端服务器。本发明简化了仿生水上机器人的机械结构，实现尺寸微型化。微型化。微型化。