本书为“低维材料与器件丛书”之一。本书作者基于自身的研究工作，深入细致地介绍了微纳机器人的发展史、运动方式、自动控制等方面的内容，并对微纳机器人的未来应用进行了展望。全书共分十三章，以磁场驱动的微纳机器人为核心，从单个的微纳机器人到微纳机器人集群，涵盖了当前微纳机器人领域的热点问题与最新研究成果。
样章试读
目录
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总序
序
前言
第1章 微纳机器人的发展史 1
1.1 机器人学的发展和微纳机器人的起源 1
1.2 微纳机器人的集群体系 4
1.3 本书架构 7
参考文献 8
第2章 磁性微纳机器人：现状与应用前景 10
2.1 磁场驱动的微纳机器人 12
2.1.1 螺旋推动式微纳机器人 13
2.1.2 振荡磁场驱动式柔性微纳机器人 19
2.1.3 其他类型的磁场驱动微纳机器人 22
2.2 磁导向微纳机器人 24
2.2.1 磁导向化学驱动式微纳机器人 24
2.2.2 磁导向趋磁细菌 27
2.3 结论与展望 29
参考文献 31
第3章 不依赖精确模型的双粒子微机器人运动控制方法 36
3.1 引言 36
3.2 双粒子磁性微机器人的驱动方法和运动特性识别 36
3.3 磁控系统 38
3.4 控制方案设计 39
3.4.1 问题的公式化 39
3.4.2 扩展状态观测器的设计 40
3.4.3 控制器的设计 41
3.5 轨迹跟踪实验 42
3.6 本章总结 43
参考文献 44
第4章 荧光磁性孢子微机器人的实时追踪——远程检测难辨梭菌毒素 46
4.1 引言 46
4.2 FMSM的制备及其应用前景 48
4.3 FMSM的表征 49
4.4 FMSM的驱动性能 51
4.5 FMSM的荧光性质 53
4.6 FMSM对难辨梭菌毒素的检测能力 53
4.7 临床粪便样品中的实际应用 55
4.8 材料和方法 57
4.8.1 FMSM合成及实验所用材料 57
4.8.2 磁性孢子@Fe3O4混合体的合成 57
4.8.3 荧光磁性孢子@Fe3O4@碳点微机器人的合成 58
4.8.4 仪器与表征 58
4.8.5 磁性能及相应的驱动测试 58
4.8.6 难辨梭菌毒素的检测 59
4.9 本章总结 59
参考文献 60
第5章 磁性孢子微机器人的荧光成像自动控制 63
5.1 引言 63
5.2 磁性孢子的制备以及磁驱动 65
5.2.1 制备方法 65
5.2.2 驱动原理以及运动特性表征 66
5.3 磁性孢子在荧光成像引导下的自动控制设计 67
5.3.1 环境识别 67
5.3.2 基于PSO的最优避障路径规划 68
5.3.3 轨迹跟踪：鲁棒模型预测控制 71
5.4 轨迹规划和控制方案的仿真及参数确定 74
5.4.1 最优路径规划器 74
5.4.2 干扰观测器的调节 76
5.4.3 MPC控制器 77
5.5 细胞精度的运送实验 78
5.5.1 系统设置 78
5.5.2 利用荧光成像的轨迹跟踪 79
5.5.3 利用荧光成像的自动把向递送 80
5.6 本章总结 82
参考文献 82
第6章 微纳机器人集群概述 86
6.1 引言 86
6.2 磁场驱动的集群现象 86
6.2.1 基于粒子的磁场驱动 87
6.2.2 基于基底的磁场驱动 87
6.2.3 集体行为：通过旋转磁场的自组装 88
6.3 电驱动的集群现象 90
6.3.1 电驱动 90
6.3.2 集体行为 91
6.4 声驱动的集群现象 92
6.5 本章总结 94
参考文献 95
第7章 顺磁性纳米粒子链状团聚物的拆解 100
7.1 引言 100
7.2 断开及分散过程的物理模型与仿真 101
7.2.1 分散过程 102
7.2.2 断开过程 106
7.3 拆解过程：断开与分散的同步进行 107
7.4 实验结果 109
7.4.1 分散实验 110
7.4.2 拆解实验及拆解后长度分布统计 111
7.4.3 生物流体中的拆解 114
7.4.4 拆解的逆过程——组装 115
7.4.5 非磁性微米小球的定向运送 117
7.5 本章总结 118
参考文献 118
第8章 旋涡状顺磁性纳米粒子集群的生成及运动控制 122
8.1 引言 122
8.2 旋涡状集群的生成原理 124
8.2.1 旋涡的合并 125
8.2.2 形成VPNS的最低粒子农度 126
8.3 旋涡状集群的特征描述 128
8.4 集群模式自重组 130
8.4.1 核心尺寸的变化 130
8.4.2 扩展状态 130
8.5 维持集群模式的力 133
8.6 实验结果与模型对照 137
8.6.1 集群的生成 137
8.6.2 集群的表征 139
8.6.3 集群形态转变 140
8.6.4 集群运动过程中的形态 144
8.7 本章总结 149
参考文献 149
第9章 基于统计的磁性纳米粒子集群的自动控制 152
9.1 引言 152
9.2 纳米粒子集群的统计描述 155
9.3 系统概述 157
9.4 基于统计的VPNS自动识别与跟踪 158
9.4.1 VPNS的自动识别 159
9.4.2 VPNS的自动跟踪 163
9.5 聚集优化控制 164
9.6 VPNS的自动运动控制 170
9.6.1 运动特性表征 171
9.6.2 运动控制方案的设计 171
9.6.3 扩展状态观测器的设计 173
9.6.4 LQI控制器的设计 173
9.7 运动控制对比实验 175
9.8 磁性纳米粒子群的实时分布监测及自动控制 177
9.8.1 集群分布面积/密度的监测 177
9.8.2 集群分布面积的控制 179
9.9 本章总结 180
参考文献 180
第10章 磁性纳米粒子条状集群的生成及运动控制 184
10.1 引言 184
10.2 条状顺磁性纳米粒子微群的生成 185
10.3 多模式重构 189
10.4 集群的可控运动 191
10.5 实验方法 194
10.6 本章总结 194
参考文献 194
第11章 用可重构微群模仿蚁桥的结构与功能以实现微电子应用 197
11.1 引言 197
11.2 Fe3O4-Au（核-壳）纳米粒子的制备 199
11.3 微群的集体行为 201
11.4 模仿蚁桥的结构和功能以用于电路连接 203
11.5 微群在电子领域的应用 204
11.6 本章总结 206
参考文献206
第12章 集群运动的生物混合吸附剂——高效去除有毒重金属 209
12.1 引言 209
12.2 结果与讨论 211
12.3 本章总结 219
参考文献 219
第13章 微纳机器人的未来应用与挑战 223
13.1 微纳机器人在医学领域的未来应用 223
13.2 医疗微纳机器人未来发展的挑战 226
参考文献 229
关键词索引 230
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