磁性微型机器人三维精准定位！振动样品磁强计提供关键数据支撑

发布日期：2024-07-05

磁性微型机器人广泛应用于生物医学工程领域，其特殊的结构和特性有助于实现精准药物传递、无创诊断和基于细胞的治疗等医疗工作。然而，目前控制此类微型机器人运动的技术依赖于同质磁场的驱动，容易受到微型机器人特性和周围环境的影响。当周围环境或微观机器人本身的特性发生改变时，这些驱动方式缺乏通用性和适应性，并且由于电磁驱动系统和微型机器人位置的独立控制，微型机器人的移动容易出现短暂的延迟。

针对上述问题，大邱庆北科学技术院的Sarmad Ahmad Abbasi 团队提出了一种通过电磁线圈产生的梯度场对磁性微型机器人进行基于机器学习的位置控制的方法。该方法通过直接驱动线圈电流模拟一个微型机器人运动的环境，从而控制微型机器人在规定工作区域内的三维位置。在模拟训练结束后，上述机器学习过程转移到反映现实世界复杂性的物理电磁致动系统中使用，相比于传统数学模型计算，该方法更精确、更高效。该成果以《Autonomous 3D positional control of a magnetic microrobot using reinforcement learning》为题发表在Nature Machine Intelligence上^[1]。

图1  磁性微型机器人通过驱动磁场模拟控制三维位置示意图

本文中，作者使用了美国知名低温设备制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.新推出的振动样品磁强计，对该微型机器人的磁化强度进行了表征，用以计算模拟环境中所使用的驱动磁场大小。该设备基于7400系列VSM成熟的产品设计基础上，推出了全新8600系列VSM系统。8600系列以提高产品性能和用户体验为目标，对其各部分的测量元件和操作部件都进行了全新优化升级，在提升灵敏度和磁场分辨率的情况下，还增强了设备的操作性。

一、主机部分

Lakeshore 8600系列VSM

✔ 更优异的性能

8600系列VSM采用创新设计，在降低测量噪声的同时还提高了采样速度。系统具有15 nemu的超高灵敏度、1 mOe的磁场分辨率、自带10000 Oe/s的超快磁场变化率和高达10ms/pt的数据采集速度，绘制一个完整的磁滞回线只需30秒。

100ms/point 时无样品背景噪声测试，噪声峰值119.5 nemu - 800 nemu（左）；

10s/point 时无样品背景噪声测试，噪声峰值13 nemu - 50 nemu（右）

✔ 更人性化的操作

8600系列产品升级的另一个核心是设备的可操作性。Lake Shore公司将自研的QuickLIGN™安装组件内置于该系列产品中，极大地简化了样品安装和更换的流程，单手即可完成操作。同样，QuickLIGN™安装组件与8600系列VSM的所有变温选件兼容，使得安装和配置温度选件5分钟内即可完成。

此外，8600系列的VSM磁体内置了ExactGAP™功能，设置了6个可重复的固定间隙，无需进行重新校准。

QuickLIGN™安装组件	ExactGAP™可重复磁极间隙调整功能

✔ 更强大的操作软件

8600系列VSM 配备了全新的测量软件，界面简单，只需几步操作即可实现设置、执行程序、实验测量和数据处理等功能。软件包含一个完整的脚本引擎，用户可以使用提供的标准协议脚本或自行创建脚本，设定自定义实验条件进行测量。

当与变温选件(86-OVEN， 86-CRYO， 或86-SSVT)联用时，该软件可以自动检测接入系统的变温选件，并与集成的705气体控制器配合使用，从而在4.2 K~1273 K的整个温区中提供自动化的VSM测量。

系统软件还具备处理扩展和补偿数据、校准退磁和斜率因子、规范样品质量和体积、从测量数据中修正及扣除衬底数据以及计算及显示导数曲线等功能，进一步提升了实验的准确性和效率。

8600系列VSM操作软件界面

✔ 一阶反转曲线功能FORC

一阶反转曲线(FORC)是一种新型磁学测量方法，主要适用于测量含有诸多磁性矿物的自然样品，确定磁性矿物矫顽力的分布以及磁性矿物颗粒之间磁相互作用的强弱，帮助区分磁性矿物的种类和磁畴转换。FORC测量需要较高的磁场变化率和数据采集速率，8600系列VSM的标配系统自带FORC测量功能，可以满足测量参数的需求。FORC的测量结果还可以通过2D图像实时显示，测量结果更直观。

一阶反转曲线（FORC）测量数据

二、 变温选件

Lakeshore的8600系列VSM配备了三种不同的变温选件：SSVT一体化变温选件、CRYO低温恒温器选件和Oven高温选件，以满足不同的温度需求。变温选件采用GlideLOCKTM设计，软件可以自动检测变温选件的安装，操作十分简便。

GlideLOCKTM变温选件和温度控制器

Lakeshore VSM变温选件温度范围

SSVT一体化变温选件：100 - 950K（左）；低温恒温器变温选件 4.2-450K（中）Oven高温炉选件：303-1273K（右）

三、矢量线圈组件

Lakeshore 8600系列VSM同样提供了矢量线圈组件，配合振动头的旋转功能，可以进行磁性材料各向异性测量表征，从而确定其矢量磁化分量和电感张量。矢量线圈组件可以进行室温测量，也可以与变温选件联用进行变温测量。

室温矢量测量（左）；与SSVT选件联用的变温矢量测量（右）

关于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.：

美国Lake Shore公司（www.lakeshore.com）是知名的极端温度和磁场条件下高精度测量和控制解决方案的创新者。主要产品包括低温探针台、振动样品磁强计、霍尔效应测量系统、M81同步源测量系统、Janis系列低温恒温器、低温控温仪、低温温度传感器、高斯计及霍尔传感器等。Lake Shore公司一直致力于推动科学发展，其产品解决方案不断创新，应用领域从物理实验室到深太空科学探索不断发展。