磁性微游泳器操技术之研究.PDFVIP

磁性微游泳器操控技術之研究 李彥宏、陳慶耀 國立交通大學機械工程學系 摘要 本研究主要以實驗方式探討之磁性微游泳器在擺動磁場下的運動及操控機制，此微游泳器係由 尺寸分別為直徑 4.5微米及 2.8微米之超順磁性粒子組成，實驗時先施以單一方向之外加磁場將磁 性粒子串接，再施加擺動磁場進行粒子串(游泳器)之操控。由於此粒子串係由不同粒徑之磁粒子串 接而成，在隨磁場擺動時，會產生不對稱的運動而產生淨推力而隨著粒子串的質心方向前進。我們 知道磁性粒子在隨外加磁場運動時，會因流體阻力而與磁場合力方向形成一延遲角度，即所謂相位 角差 (△θ ) ，由本研究之實驗結果發現，當加大外加磁場之強度，而使瞬間相位角差超過90度時， L 會出現一有趣之反轉現象，此時，粒子串之擺動軌跡不再依原軸線擺動，而將轉換成沿著垂直原軸 線的方向擺動，本研究將介紹此轉向機制之原理，並說明如何利用此轉向機制，成功操控微游泳器 轉向，而不需調整任何磁場裝置之擺設位置。 關鍵詞—磁性粒子，微游泳器，擺動磁場，轉向機制 1.前言 磁流變液(MR)是一種人工且智慧型的流體，主要由高磁導率、低磁滞性的微米尺寸之磁性 粒子和非磁性液体混合而成的懸浮液體。 近年來，有關磁性粒子在旋轉磁場[1-5]及擺動磁場 [6-9]下之串接及運動模式之研究已有較深入成果。由先前文獻之研究報告可知，微磁性粒子串 在隨外加磁場運動時，粒子串會因不同的磁場條件而形成剛體、扭曲及斷裂等運動模式。有關 微游泳器之研究，已有學者利用 DNA串接磁性粒子，並施加擺動磁場，使粒子串達到仿生游 動之成果 [6] ，而本研究先前之成果亦利用了兩種尺寸不同之磁粒子製作出微游泳器，並藉由擺 動磁場之操控，使其產生推力，成功地向前游動 [7] ，上述微游泳器對於微機電及生物機電系統 均具備了潛在的應用價值，然而此等游泳器僅能朝著磁場擺動之軸線方向前進，無法改變方 向，使得游泳器的操控上有所限制，而若能簡單的改變游泳器的游動方向，則能使微游泳器具 有較高效率的操控機制及更廣泛的應用範圍。以往改變游泳器游動方向之方法，不外乎藉由調 整線圈位置而改變串接及擺動磁場方向，而本研究則是發展出微游泳器較創新的操控方法，由 本研究實驗成果發現微磁性粒子串在擺動磁場下會出現之一有趣現象- 「軌跡轉換」[9,10] ，當 粒子串與外加磁場間之相位角差超過 90度時，此現象即會發生，此時，粒子串之擺動軌跡不再 依原軸線擺動，而將轉換成沿著垂直原軸線的方向擺動，此現象即為「軌跡轉換」。本研究將 有系統地呈現粒子串在不同實驗條件下的軌跡轉換情形，並說明如何將軌跡轉換的原理應用於 微游泳器轉向機制。 2.實驗裝置 本研究實驗架構示意圖如圖 1 。實驗中使用的超順磁性粒子成份為聚苯乙烯珠而外層包覆了 氧化鐵，並懸浮於蒸餾水中，共使用兩種不同尺寸之粒子，半徑分別為 a=2.25μm及 1.4μm ，磁 化率分別為 χ=1.6及 1.0 ，且無磁滯效應，其飽和磁化強度約為350~400 Oe 。在磁場架構方面， 首先將一組線圈接上直流電源產生單一方向磁場 Hd ，此單一方向之均勻磁場將使磁性粒子磁化 1 產生磁性後，互相吸引而形成粒子串，接著在垂直於前一組線圈之方向，擺設另一組線圈接上 交流電源，以產生正弦波形之擺動磁場 Hv ，其頻率為f ，最大磁場強度為Hp ，故Hv = Hp sin(2πft) ，此外加之擺動磁場與單一方向之串接磁場所形成之合磁場H= H i+ H j ，其中i及 j 分 d v 別表水平及垂直方向之單位向量。此種磁場架構下，磁性粒子串將隨著外加磁場方向擺動，而 其