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基金项目 国家高技术研究发展计划项目ＡＡＺ 国家自然科学基金重点资助项目 辽宁省教育
厅科学研究一般项目 Ｌ
作者简介 吴成东 男辽宁大连人东北大学教授博士生导师
第 卷第 期
年 月
东 北 大 学 学 报 自 然 科 学 版
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ
ＶｏｌＮｏ
Ａｐｒ
基 于 ＡＦＭ 推 动 的 纳 米 棒 建 模 与 操 作
吴成东
侯静
董再励
李孟歆
东北大学 信息科学与工程学院 辽宁 沈阳 沈阳建筑大学 信息与控制工程学院 辽宁 沈阳
中国科学院 沈阳自动化研究所 辽宁 沈阳
摘要 研究了 ＡＦＭ 推动作用下纳米棒的运动情况引入了与速度相关的黏滞摩擦力建立了纳米棒
体的运动学模型在运动学模型的基础上针对 ＡＦＭ 单探针及纳米环境操作不确定性问题对 ＡＦＭ 探针操
作参数的设置进行了讨论提出了虚拟纳米手 Ｚ 字形稳定操作策略仿真及实验结果表明纳米棒的运动学
模型能够实时预测推动操作后棒体的瞬心位置虚拟纳米手 Ｚ 字形操作策略能够将棒体的位置误差限制在
规定误差范围内实现了纳米棒的稳定定姿态操作
关键词 ＡＦＭ纳米棒运动学模型纳米操作纳米手操作策略
中图分类号 ＴＮ 文献标志码 Ａ文章编号
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＦＭ Ｐｕｓｈｉｎｇ ｆｏｒ Ｎａｎｏｒｏｄ
Ｗ Ｕ Ｃｈｅｎｇｄｏｎｇ ＨＯＵ Ｊｉｎｇ ＤＯＮ Ｇ Ｚａｉｌｉ ＬＩ Ｍｅｎ ｇｘｉｎ
Ｓｃｈｏｏｌｏ ｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｊｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ＣＡＳ Ｓｈｅｎｙａ ｎｇ ＣｈｉｎａＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ ＨＯＵ Ｊｉｎｇ Ｅｍａｉｌ ｂｌｕ ｅｒａｉｎｈｊｃｏｍ
Ａｂｓｔ ｒａｃｔ Ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｎａｎｏｒ ｏｄ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ＡＦＭ ｗａｓ ａｎ ａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａ ｋｉｎｅｍａｔ ｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ
ｎａｎｏｒ ｏｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｉｎｔｒｏ ｄｕｃｉｎｇ ｖｉｓｃ ｏｕｓ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｕｓｈ ｉｎｇ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｐｕｓｈｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＡＦＭ ｗａｓ ｄｅｂａｔｅｄ
ａｎｄ ｔｈｅ ｎａｎｏｈａｎｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｚｉｇｚａｇ ｓｔａｂｌｅ ｐｕｓｈｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｒａｉｓｅｄ ｂｙ
ｏｎｌｙ ｏｎｅ ｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｏｆ ＡＦＭ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ｎａｎｏ ｓｃａｌｅＴｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｓ ｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｅｎｔｒ ｅ ｏｆ ｎａｎｏｒｏｄ ａｔ ｅａｃｈ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ
ｂｙ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅＡｔ ｔｈｅ ｓａｍ ｅ ｔｉｍ ｅ ｔｈｅ ｒｏｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅｐ ｕｓｈｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｂｏｕｎｄｅｄ
ｔａｒｇｅｔ ａｒ ｅａ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｇｉｖｅｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｂｙ ｔｈｅ ｎａｎｏｈａｎｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｚｉｇｚａｇ ｓｔａｂｌｅ ｐｕｓｈｉｎｇＳｏ ｔｈｅ
ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｐｏｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｎａｎｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＡＦＭ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｎａｎｏｒｏｄ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｎａｎｏｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ
ｎａｎｏｈａｎｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ
纳米材料特别是纳米棒在光电磁等方面具
有独特的性能将其制成特定的结构和器件已成
为当今研究的热点问题
在诸多操作方法中
原子力显微镜ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙＡＦＭ 以
其高分辨率及高操作精度的特性已经成为纳米操
控的主要工具但 ＡＦＭ 扫描 规划 操作 扫
描的操作模式及纳米操作环境的不确定性等因素
阻碍了纳米操作的可靠性和操作效率
为解
决 ＡＦＭ 操作存在的问题研究者提出了多种解
决方案Ｌｉ 等应用增强现实技术利用操作过程中
的实时力信息更新操作界面进行纳米操 作
Ｃｈｅｎ 等发展了 ＣＡＤ 纳米装配系统
Ｈｓｉｅｈ 等对
纳米棒 的 运 动 机 制 进 行 了 研 究
Ｗｕ 等 对
ＣＮＴｓ 进行了建模与操作
这些研究虽然在一
定程度上提高了操作效率解决了 ＡＦＭ 纳米操
作的部分问题但 ＡＦＭ 的单探针特性及纳米操
作环境的不确定性仍然是阻碍 ＡＦＭ 操作的难题
本文针对纳米棒的运动情况进行了讨论通过
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