微型控制器

近日，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员徐升和研究员徐天添团队合作，提出了一套针对微型仿鱼磁驱动机器人的复杂运动学习控制方法，通过宽度学习网络训练获得了可控磁场变化与仿鱼机器人多种动作基元之间的关系规律，实现了仿鱼机器人的复杂运动，而且该方法无需复杂调参，并具有优异鲁棒稳定性，保障了运动过程不受外界扰动影响。相关研究成果以A Robot Motion Learning Method Using Broad Learning System Verified by Small-scale Fish-like Robot为题发表在《IEEE控制论汇刊》(IEEE Transactions on Cybernetics)上。 　　微型仿鱼机器人由于构型合理、尺度很小，可以更为灵活地在复杂狭小空间内穿梭作业，在微孔探查、靶向治疗等小尺度操作领域具有巨大的应用潜力。但是，受磁场与机器人运动之间的强非线性影响，机器人按要求轨迹运动控制十分具有挑战性。此外，在复杂场景中(如人体内)，理想目标轨迹的准确坐标往往不便获取，限制了追踪控制策略的应用。体内环境迂曲复杂，存在频繁方向改变，控制器反复调整计算复杂繁琐，存在重复性。因此，有必要将微型机器人的底层运动封装为基本运动，例如直走、直角弯、S形弯、C形弯等，并将这些基本运动作为高层运动指令库的基元，便于在后续的宏观运动路径规划中按需调用，可降低实时控制指令的解算复杂度。研究团队结合宽度学习理论，对磁控仿鱼机器人的运动基元开展训练学习，完成了多种复杂运动。 　　研究团队设计了以宽度神经网络为主体的微型机器人基本运动控制器；基于李雅普诺夫稳定理论，推导了保障机器人运动稳定的控制器网络参数约束，简化了不同运动基元的控制器参数训练学习过程；提出了以磁场参数变化与机器人速度矢量变化为所需数据的控制器网络参数训练方法，使用者只需通过改变训练数据的种类即可获得多种运动基元，而且考虑了稳定约束的训练算法可以保证所获得的控制器的稳定性。 　　通过仿真及实验，研究团队运用提出的学习控制方法获得了锐角弯、J形弯、S形弯等多种运动基元的微型机器人控制器，并开展了仿鱼机器人避障运动实验。在机器人运动过程中，研究人员通过人为摇晃容器、暴力碰触机器人模拟了真实场景中可能存在的复杂扰动，机器人在复杂环境中，直接调用C形弯、S形弯等运动基元实现高效避障，通过使用所提方法机器人均可以抵达最终指定区域，验证了所提方法的强抗扰能力。该成果符合高层运动指令规划的思想，大幅简化了实时控制指令解算复杂度，为微型机器人的多机集群运动或无参考轨迹最优运动规划打下了基础，同时还可推广至无人机、无人车以及工业机器人的复杂运动控制。 　　相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、深圳市等科技项目的资助。图1 基于宽度神经网络的微型仿鱼机器人运动基元学习控制方法图2 微型仿鱼机器人结构及运动原理，磁驱动实验系统图3 机器人多次执行“S”形避障实际效果图4 机器人强抗扰能力验证(暴力阻拦、容器振动)

导读：自2017年来，二维磁性在单层材料中的实现使得二维磁性材料受到了大的关注。范德瓦尔斯磁体让我们对二维限下的磁性有了更进一步的了解，不同磁结构的范德瓦尔斯磁体使得实验上探究二维下的磁学模型成为可能。例如，在单层CrI3中发现Ising铁磁，而XY模型的NiPS3在单层限下的磁性会被抑制。除了这些，有着变磁行为的范德瓦尔斯磁体更为有趣，比如在少层CrCl3中由于奇数层存在着未补偿磁矩，使得奇数层存在着spin-flop转变，而偶数层则没有。目前，现存的二维磁性材料非常稀少，这意味着新范德瓦尔斯磁体的发现，不仅仅有助于二维磁性的研究，更是为二维自旋电子学器件的应用提供了材料基础[1]。相比于传统的三维空间结构，二维层状磁性材料因其原子层间较弱的范德华尔斯作用力，能够人为操控其层间堆叠方式，进而有可能影响其磁耦合特性，为新型二维自旋器件的研制提供新思路。然而，堆叠方式与磁耦合间的关联机制仍不甚明晰，需要借助先进的扫描探针技术才能实现在原子层面的直接实验观测。美国RHK公司所提供的先进R9plus扫描探针显微镜控制器可以有效结合课题组自主研发的扫描探针设备，同时给予高效率的扫描控制，从而可以针对二维磁性材料应用领域展开更为深入的研究。本文重点介绍国内课题组灵活运用RHK公司扫描探针控制器，配合自主研发设计的扫描探针设备所开展的一系列国际前沿性二维材料领域的研究工作，其中各研究工作当前已在国际SCI核心学术期刊发表。科学成果的突破，离不开实验技术的不断攻坚克难。复旦大学物理学系教授高春雷、吴施伟团队通过团队自主研发搭建的扫描探针设备创造性地将原位化合物分子束外延生长技术和自旋化扫描隧道显微镜相结合，在原子层面彻底厘清了双层二维磁性半导体溴化铬（CrBr3）的层间堆叠和磁耦合间的关联，为二维磁性的调控指出了新的维度。相关研究成果以 《范德华尔斯堆叠依赖的层间磁耦合的直接观测》（“Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism”）为题发表于《科学》（Science）主刊，其中复旦大学物理学系博士后陈维炯为作者[2]。图中所示为陈博士与RHK技术总监进行深入的技术探讨，现场摸索优化测试信号，并详细沟通具体的测量细节，为后续高效率提取高质量大数据做准备。 课题组运用自主研制的自旋化扫描隧道显微镜测量技术，结合RHK公司先进的扫描探针显微镜控制器对自主研发实验设备实现测量调控，团队进一步在原子分辨下获取了样品磁化方向的相对变化，从而实现了实验突破，揭秘材料堆叠方式与磁耦合之间的直接关联性。团队以CrBr3双层膜作为主要研究对象和潜在突破口。双层CrBr3间较弱的范德瓦尔斯力赋予层间发生相对转动和平移的“自由”，从而使堆叠方式多样化成为可能。确实，在实验中获得的CrBr3双层膜具有两种不同的转动堆叠结构（H型和R型），分别对应迥异的结构对称性。其中，R型堆叠结构中，双层膜上下两层间同向平行排列，且沿晶体镜面方向作一定平移；H型堆叠结构中，双层膜上下两层之间旋转了180度，反向平行交错排列。这两种结构均是在相应的体材料中从未发现过的全新堆叠结构。至此，团队率先在原子尺度阐明了CrBr3堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的直接关联，为理解三卤化铬家族CrX3中不同成员的迥异磁耦合提供了指导。H型和R型堆叠的CrBr3双层膜自旋化扫描隧道显微镜测量 更多精彩案例： 《Nature》子刊：中国科大扭转双层石墨烯重要进展！ 范德瓦尔斯堆叠的双层石墨烯具有一系列新奇的电学性质（例如，电场可调控的能隙、随扭转转角变化的范霍夫奇点以及一维拓扑边界态等）。当双层石墨烯的扭转转角减小到一系列特定的值（魔角）时，体系的费米面附近出现平带，电子在能量空间高度局域，电子-电子相互作用显著增强，出现莫特缘体和反常超导量子物态。另一方面，这些新奇的性质与双层石墨烯体系的扭转角度有着严格的依赖关系，体系层间相互作用随着转角减小会逐渐增强，因此探寻和研究这种层间耦合对理解扭转双层石墨烯的电子结构和物理性质至关重要。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）物理系秦胜勇教授与武汉大学袁声军教授及其他国内外同行合作，利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱，次在双层转角石墨烯体系中发现了本征赝磁场存在的重要证据，结合大尺度理论计算指出该赝磁场来源于层间相互作用导致的非均匀晶格重构。相关研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”为题，于2020年发表于《自然通讯》（Nature Communications 2020,11,371）上[3]。图：小角度双层石墨烯中本征赝磁场的发现。对于转角为0.48度的双层石墨烯，在不加外磁场情况下，实验发现了贋朗道能（图b），理论计算进一步验证了这种贋磁场行为（图c），并估算出贋磁场值大约为6特斯拉（图e）。 该团队系统研究了小角度下（RHK公司提供的R9plus扫描探针显微镜强有力的为国内自主研发技术提供有力保障，除了在科研领域内重点关注的二维材料发挥重要作用以外，也对国内其它相关扫描探针设备研发领域课题组提供技术支持。中国科学技术大学陆轻铀教授团队与中国科学院强磁场科学中心、新加坡国立大学等单位合作，利用扫描探针控制器实现了高精度的磁力显微镜观察表征，报告了在超薄BaTiO3/SrRuO3 (BTO/SRO)双层异质结构中发现铁电体（FE）驱动的、高度可调谐的磁性斯格明子。在BTO中，FE驱动的离子位移可以穿过异质界面，并继续为多个单元进入SRO。这种所谓的FE邻近效应已经在不同的FE/金属氧化物异质界面中得到了预测和证实。在BTO/SRO异质结构中，这种效应可以诱导相当大的DMI，从而稳定强大的磁性物质。此外，通过利用BTO覆盖层的FE化，可以实现对斯格明子性质的局部、可逆和非易失性控制。这种铁电可调的斯格明子系统为设计具有高集成性和可寻址性的基于斯格明子的功能设备提供了一个潜在的方向。相关成果以题为“Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures”发表在了Nat. Mater.上[4]。B20S5样品中磁性斯格明子的磁力显微镜表征 除此之外该课题组也对二维过渡金属硫化物材料MoTe2温度依赖的表面STM图像、电子结构、晶格动力学和拓扑性质进行了研究。研究结果以Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe2 at low temperature为题，发表在美国物理学会杂志《物理评论B》上。该工作为二维过渡金属硫化物材料MX2的低温研究、实验制备和器件开发提供了直接的理论支持，其揭示的MoTe2低温下反常物性的内在物理机制对其它具有内在MX2八面体结构畸变的二维材料同样具有参考价值[5]。学术工作之外，该课题组在仪器设备研发方面也取得了优异的成果，课题组在国际上次研制成功混合磁体端条件下原子分辨扫描隧道显微镜（STM），相关研究成果发表在显微镜领域著名期刊Ultramicroscopy和著名仪器刊物Review of Scientific Instruments上。此工作利用混合磁体搭配RHK公司扫描探针设备开展原子分辨成像研究，对于突破当前超强磁场下只能开展输运等宏观平均效果测量的瓶颈，进入到广阔的物性微观起源探索领域，具有标志性意义。同时，课题组又针对超强磁场下的生物分子高分辨成像，搭建了一套室温大气环境下的分体式STM。该系统将一段螺纹密封式胶囊腔体通过一根长弹簧悬吊于混合磁体中心，并将STM核心镜体悬吊于胶囊腔体内用以减弱声音振动干扰。经测试，该STM在27.5特斯拉超强磁场下依然保持原子分辨。由于没有真空、低温环境的保护，搭建混合磁体超强磁场、超强振动和声音环境下的室温大气STM难度更大。此前，国际上还未曾报道过水冷磁体或混合磁体中的室温大气STM[6]。混合磁体STM系统：（a）混合磁体照片；（b）混合磁体STM系统简图；（c）STM镜体；（i-iv）分别为0T、21.3T、28.3T、30.1T磁场强度下石墨的原子分辨STM图像。 参考文献：1. Peng, Y., et al., A Quaternary van der Waals Ferromagnetic Semiconductor AgVP2Se6. Advanced Functional Materials, 2020. 30(34): p. 1910036.2. Chen, W., et al., Direct observation of van der Waals stacking-dependent interlayer magnetism. Science, 2019. 366(6468): p. 983-987.3. Shi, H., et al., Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 371.4. Wang, L., et al., Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures. Nat Mater, 2018. 17(12): p. 1087-1094.5. Ge, Y., et al., Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td?MoTe2 at low temperature. Physical Review B, 2020. 101(10).6. Meng, W., et al., 30 T scanning tunnelling microscope in a hybrid magnet with essentially non-metallic design. Ultramicroscopy, 2020. 212: p. 112975.

高灵敏度VAHEAT显微温度控制器在生物医学领域的应用在处理生物样本时，大多数情况下需要研究温度这一变量对研究目标的影响，所以，选择精zhun、易操作的温度控制器十分重要，然而传统的加热仪器在对样品加热时热平衡的建立缓慢，容易产生温度梯度，并对成像分辨率造成影响，因而需要购买物镜加热器等多个设备以实现稳定的热平衡状态以及减小对成像分辨率的影响，为实验带来诸多不便。基于以上问题，Interherence公司推出了用于超分辨显微镜中精确控制样品温度的VAHEAT显微温度控制器，VAHEAT显微温度控制器可实现对温度的精zhun控制并对超分辨率成像不产生影响。除此之外，与传统的温度加热仪器相比，VAHEAT显微温度控制器具有结构紧凑、与各类显微镜兼容、多种加热模式的优良特性。VAHEAT显微温度控制器有两种智能基板，基底是玻璃制成的，带有储液器的凹槽是由与生物细胞具有相容性的硅树脂制成的，符合大多数细胞的培养。图 1：VAHEAT显微温度控制器无需进一步修改即可安装在显微镜上 图 2：a) VAHEAT 组件。该设备由智能基板 (1)显微镜适配器 (2)探头 (3) 控制单元 (4) 控制器b) 智能基板（具有透明的纳米制造的加热元件和直接位于视野中的温度探头）c) VAHEAT 设置为 60°C 时，Smart 基板的热图像显示整个区域均匀加热目前VAHEAT温度控制器以实现了在活细胞成像、DNA结合和解离行为、微流控、生物大分子相分离以及神经科学等生物医学领域的应用：(1)在活细胞成像的应用：VAHEAT实现了在生物成像过程中精确的温度控制，研究了细胞对温度响应的行为过程，例如多细胞肿瘤球体中的 Ca 2+活性或神经元的热刺激。(2)DNA结合和解离行为的研究：双链 DNA 的熔点在 60°C 到 90°C 之间，具体取决于序列和链长度。使用VAHEAT可实现传统加热台无法实现升至高于解离熔点的 DNA 动力学研究。(3)生物大分子相分离的应用：相分离与生物信号的传导、基因的表达、细胞物质运输等生命机制有重要关系。其中，在蛋白表达这一过程中，相分离的发生除了与蛋白本身的化学结构有关之外，还与蛋白分子的浓度、溶液PH、盐浓度以及温度有关。可靠的温度控制和精确的读数是定量研究的关键要素。VAHEAT温度控制器采用集成到智能基板中的温度探头不仅确保了可靠的测量条件，还能够感应薄层中的相变。(4)神经科学领域的研究：细胞功能以及细胞间通讯取决于温度。尤其是神经科学实验严重依赖于对环境条件的精确控制，例如对突触功能、其可塑性以及动作电位传播的研究。VAHEAT可以实现在设定的温度下进行荧光标记实验以及膜片钳实验，而无需复杂笨重的孵化室。图 3：使用 VAHEAT 对空间限制下 60°C 和 70°C 生长的嗜热细菌进行成像 图 4：使用 VAHEAT研究减数分裂过程中的染色体分离（酵母25- 37°C活细胞成像）图 5：VAHEAT 用于单分子 TIRF 测量中的精确温度控制（慕尼黑工业大学 Hendrik Dietz 的实验室用 DNA 折纸构建的大分子运输系统）图 6：使用 VAHEAT 表征金纳米粒子扩散常数的温度依赖性关于Interherence：德国Interherence公司拥有量子和生物光子学领域的专家团队，为高灵敏度光学显微镜的发展做出很大贡献。该团队采用了现代纳米制造和薄膜技术，推出了VAHEAT生物显微温度控制器，作为传统显微镜的附加产品，首次实现了在扩展温度范围内的精确温度控制，以确保生物物理光学研究可靠的测量条件。上海昊量光电作为德国Interherence公司在中国的代理商，可为您提供专业的技术服务，若您对Interherence公司提供的VAHEAT生物显微温度控制器有兴趣，欢迎通过邮箱、电话或微信进行沟通！关于昊量光电：昊量光电 您的光电超市！上海昊量光电设备有限公司致力于引进国外先进性与创新性的光电技术与可靠产品！与来自美国、欧洲、日本等众多知名光电产品制造商建立了紧密的合作关系。代理品牌均处于相关领域的发展前沿，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，所涉足的领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及前沿的细分市场比如为量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等。我们的技术支持团队可以为国内前沿科研与工业领域提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务，助力中国智造与中国创造! 为客户提供适合的产品和提供完善的服务是我们始终秉承的理念！相关文献：1. Molinaro, C., et al., Are bacteria claustrophobic? The problem of micrometric spatial confinement for the culturing of micro-organisms. RSC Advances, 11, 12500–12506 (2021).2. Mengoli, V., et al., Deprotection of centromeric cohesin at meiosis II requires APC/C activity but not kinetochore tension. The EMBO Journal, 40, e106812 (2021).3. Stömmer, P., A synthetic tubular molecular transport system. Nature Communications, 12, 4393, (2021).