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Atomic Force Microscopy Based Nanorobotics_Modelling, Simulation, Setup Building and Experiments _Hui Xie, Cagdas Onal, Stéphane Régnier,and Metin Sitti _2011 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1 Descriptions and Challenges of AFM Based Nanorobotic Systems . . . 13 1.1 Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.1 The AFM as a Nanorobot–Beyond Imaging . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.2 AFM-Based Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.3 AFM/SEMHybridNanorobotic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2 Challenges and Opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.1 Two-Dimensional Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.2 Manipulation Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.3 Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2 Instrumentation Issues of an AFM Based Nanorobotic System . . . . . . 31 2.1 Force Calibration Issues in AFM (Normal Force and Lateral Force Calibration) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.1 Normal Force Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.1.2 Lateral Force Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1.3 Optical Lever Calibration in Atomic Force Microscope with aMechanical Lever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.4 Enhanced Accuracy of Force Application Using Nonlinear Calibration of Optical Levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2 Cross-Talk Compensation in Atomic ForceMicroscopy . . . . . . . . . . 54 2.2.1 Cross-Talk Compensation Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.2.2 A Case Study for the Cross-Talk Compensation . . . . . . . . . . . 64 2.3 Thermal Drift Compensation in AFM Based Nanomanipulation . . . . 66 2.3.1 Drift Tracking with Bayesian Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3.2 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3 Nanomechanics of AFM Based Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.1 The Physics of theMicro/Nanoworld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.1.1 van derWaals Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.1.2 Capillary Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.1.3 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.1.4 Elastic ContactMechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.2 Nanomechanics of Contact Pushing or Pulling Using One Probe . . . 99 3.2.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.2.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.2.3 Automatic Pushing Scheme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.2.4 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.3 Nanomechanics of Pick-and-Place Manipulation Using Two Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.3.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.3.2 ContactMechanics of Nanoscale Grasping . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.3.3 Nanoscale Graspingwith DifferentGrippers . . . . . . . . . . . . . 118 3.3.4 NanotipGripper Implementation Experiments . . . . . . . . . . . . 124 3.3.5 List of Selected Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.3.6 Deflections on the Cantilever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4 Teleoperation Based AFMManipulation Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.2 Bilateral Scaled Teleoperation ControlUsing an AFM. . . . . . . . . . . . 147 4.2.1 Architecture of a Teleoperation System. . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 4.2.2 PerformanceMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 4.2.3 Direct Force Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.2.4 Force-Position Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 4.2.5 Passivity Based Bilateral Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 4.2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.3 Experimental Platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.3.1 AFMForceMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.3.2 Material for Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.4 1-D Teleoperated Touch FeedbackUsing AFM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 4.4.1 Approach Retract Experiment Using Direct Force Feedback Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4.4.2 Approach Retract Experiment Using Force-Position Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.4.3 Approach Retract ExperimentUsing Passivity Control . . . . . 179 4.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 4.5 2-DMicro Teleoperation with Force Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 4.5.1 Haptic FeedbackDetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 4.5.2 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 4.5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 4.6 3-D Teleoperated Touch FeedbackUsing AFM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 4.6.1 Three-Dimensional Force Decoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 4.6.2 Adaptive FrictionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 4.6.3 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 4.6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 4.7 Haptic Teleoperation for 3D Microassembly of Spherical Objects . . 211 4.7.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 4.7.2 3DMicroassembly Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 4.7.3 Assisted GripperAlignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 4.7.4 Pick-and-Placewith Haptic Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 4.7.5 Construction of a Two-Layer Pyramid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 4.7.6 Remarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 4.9 Nomenclature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 5 Automated Control of AFM Based Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . 237 5.1 Automated Two-Dimensional Micromanipulation . . . . . . . . . . . . . . . 238 5.1.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 5.1.2 Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 5.1.3 Parameter Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 5.1.4 Controlled Pushing and Pulling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 5.1.5 Trajectory Planning for Pattern Formation . . . . . . . . . . . . . . . 251 5.1.6 Assembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 5.2 Three-Dimensional Automated Micromanipulation Using a NanotipGripperwithMulti-feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 5.2.1 SystemConfiguration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 5.2.2 Manipulation Schemes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 5.2.3 Protocol for Automated Pick-and-Place. . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 5.2.4 Task Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 5.2.5 Grasping Point Searching and Contact Detection . . . . . . . . . . 260 5.2.6 ExperimentalResults and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 5.3 Atomic Force Microscopy Based Three-Dimensional Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 5.3.1 SystemConfiguration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 5.3.2 Manipulation Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 5.3.3 Pick-and-PlaceNanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 5.4 Parallel Imaging/Manipulation ForceMicroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . 278 5.5 High-Efficiency Automated Nanomanipulation with Parallel Imaging/Manipulation ForceMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 5.5.1 SystemSet-Up of the PIMM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 5.5.2 Strategies for Automated ParallelManipulation . . . . . . . . . . . 286 5.5.3 Automated Control of the Parallel Nanomanipulation . . . . . . 293 5.5.4 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 6 Applications of AFM Based Nanorobotic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 6.1 Flexible Robotic System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 6.1.1 AFM-Based Flexible Robotic System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 6.1.2 AFM-FRS Setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 6.1.3 The Configuration of 3-DMicromanipulation . . . . . . . . . . . . 319 6.1.4 The Configuration of 3-D Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . 321 6.1.5 The Configuration for Parallel Nanomanipulation . . . . . . . . . 325 6.1.6 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 6.2 In Situ Nanoscale Peeling of One Dimensional Structure. . . . . . . . . . 332 6.2.1 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 6.2.2 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 |
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