超高性能纳米定位机械人创新设想方式—从“进化”中寻觅最优设想

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纳米定位机械人（Nanopositioner）是一种可以在微纳标准停止切肯定位的柔性机械人，普遍利用于显微技术（如扫描电子显微镜）、生物医学研讨（如细胞操纵）以及紧密制造（如微纳加工）等范畴提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。为实现高精度静态性能，最大化机械人的刚度比（Stiffness Ratio）和机械带宽（Mechanical Bandwidth）是最理想方针，其性能间接决议了机械人的定位精度、使命空间和抗干扰才能提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。但是，高刚度比和高带宽常常难以兼得，使得现有定位机械人没法同时优化多项关键性能目标提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。冲破该技术瓶颈，开辟兼具高刚度比和高带宽的定位机械人，已然成为当前紧密工程范畴亟待冲破的焦点应战提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。



针对这一困难，新加坡南洋理工大学Lum Guo Zhan教授及其合作者提出了一种基于进化理念的创新设想方式提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。该方式创新性的操纵傅里叶函数表征结构拓扑，经过融合活动学分析与智能进化算法，以更好地优化机械人多项性能目标提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。基于该创新设想方式，研讨团队成功研发出一款全新的XYθz纳米定位机械人提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。相比现有定位机械人，其多项关键性能目标实现了大幅提升提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。相关研讨功效以“From Fourier topology representation to optimal robot: evolution of an ultrahigh performance XYθz nanopositioner”为题，颁发于Nature首个工程范畴子刊《Communications Engineering》提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。北工大吕峥教授为论文第一作者，新加坡南洋理工大学Lum Guo Zhan教授为论文通讯作者提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。

▍创新设想方式：从“进化”中寻觅最优设想

为冲破定位机械人最优设想困难，研讨团队摒弃了传统的试错式设想，转而采用了一种受“自然挑选”启发的创新设想方式提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。首先，研讨职员基于活动学分析肯定了定位机械人的初始构型和设想可行域提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。其次，创新性操纵傅里叶函数表征机械人设想域的结构拓扑，并经过智能进化算法停止优化，以寻觅最大化刚度比的拓扑形状提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。最初，针对最好拓扑形状进一步优化了拓扑结构外形和尺寸，在保证高刚度比的同时，最大化机械带宽提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。这类创新设想方式从“进化”中寻觅最优设想计划，遵守了生物界“自然挑选”的进化理念提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。


图1. 最优XYθz纳米定位机械人的进化设想进程

▍冲破性能瓶颈，实现周全优化

研讨团队基于进化理念的创新设想方式，终极进化出一种全新的XYθz纳米定位机械人提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。经过系统性测试分析，该机械人成功打破了现有机械人性能限制：

超高刚度比与高机械带宽：全新的纳米定位机械人刚度比到达741 - 869，远高于现有机械人的0.5 - 248提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。其机械带宽到达123 Hz，远超现有大使命空间定位机械人的20 - 70 Hz，这意味着机械人具有更快的静态响应提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。大使命空间与超高定位精度：使命空间达5.8 mm * 5.8 mm * 6°，同时定位精度邃密至13 nm * 14 nm * 1.3 µrad提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。其使命空间与定位精度的比值横跨现有同类机械人4.9 - 2.31 * 1011倍，抗干扰才能更是比同类机械人横跨1142 - 2.10 * 1017倍，标志着其在综合性能上到达了全新高度提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。
▍利用远景广漠，潜力无穷

这款超高性能纳米定位机械报酬众多前沿范畴带来了新的能够性：

显微技术：可作为高速、大范围、高分辨率的样本扫描平台，用于电子显微镜或超分辨率显微镜，快速天生高质量图像提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。生物医学：在细胞微注射等操纵中，其高精度和大路程能进步成功率和通量，助力基因工程和药物研发提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。紧密制造：在纳米压印、集成电路检测和微纳加工中，可以实现更邃密的特征制造、处置更大尺寸的晶圆，并削减加工误差提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。
这项工作不但展现了一款性能出色的纳米定位机械人，更重要的是供给了一种强大的创新设想方式提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。这类连系了活动学分析和进化算法的综合方式，未来还有望用于设想性能更优的软体机械人、传感器、能量收集器和其他智能致动器，为全部柔性器件范畴带来新的灵感提出申请的零售商必须在新米大量上市的8月底前完成储备米销售。