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laitianmao

金虫 (小有名气)

[资源] 一本好书：基于原子力显微镜的纳米机器人_English

Atomic Force Microscopy Based Nanorobotics_Modelling, Simulation, Setup Building and Experiments
_Hui Xie, Cagdas Onal, Stéphane Régnier,and Metin Sitti
_2011

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1 Descriptions and Challenges of AFM Based Nanorobotic Systems . . . 13
1.1 Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.1 The AFM as a Nanorobot–Beyond Imaging . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.2 AFM-Based Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.3 AFM/SEMHybridNanorobotic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2 Challenges and Opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 Two-Dimensional Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2 Manipulation Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3 Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 Instrumentation Issues of an AFM Based Nanorobotic System . . . . . . 31
2.1 Force Calibration Issues in AFM (Normal Force and Lateral Force
Calibration) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1 Normal Force Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.2 Lateral Force Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.3 Optical Lever Calibration in Atomic Force Microscope
with aMechanical Lever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.4 Enhanced Accuracy of Force Application Using Nonlinear
Calibration of Optical Levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Cross-Talk Compensation in Atomic ForceMicroscopy . . . . . . . . . . 54
2.2.1 Cross-Talk Compensation Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.2 A Case Study for the Cross-Talk Compensation . . . . . . . . . . . 64
2.3 Thermal Drift Compensation in AFM Based Nanomanipulation . . . . 66
2.3.1 Drift Tracking with Bayesian Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.2 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3 Nanomechanics of AFM Based Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.1 The Physics of theMicro/Nanoworld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.1.1 van derWaals Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.1.2 Capillary Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.1.3 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.1.4 Elastic ContactMechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.2 Nanomechanics of Contact Pushing or Pulling Using One Probe . . . 99
3.2.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.2.3 Automatic Pushing Scheme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2.4 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.3 Nanomechanics of Pick-and-Place Manipulation Using Two
Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3.2 ContactMechanics of Nanoscale Grasping . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.3 Nanoscale Graspingwith DifferentGrippers . . . . . . . . . . . . . 118
3.3.4 NanotipGripper Implementation Experiments . . . . . . . . . . . . 124
3.3.5 List of Selected Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.3.6 Deflections on the Cantilever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4 Teleoperation Based AFMManipulation Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.2 Bilateral Scaled Teleoperation ControlUsing an AFM. . . . . . . . . . . . 147
4.2.1 Architecture of a Teleoperation System. . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2.2 PerformanceMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.2.3 Direct Force Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.2.4 Force-Position Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2.5 Passivity Based Bilateral Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3 Experimental Platforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.1 AFMForceMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3.2 Material for Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.4 1-D Teleoperated Touch FeedbackUsing AFM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.4.1 Approach Retract Experiment Using Direct Force
Feedback Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.4.2 Approach Retract Experiment Using Force-Position
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.4.3 Approach Retract ExperimentUsing Passivity Control . . . . . 179
4.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.5 2-DMicro Teleoperation with Force Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.5.1 Haptic FeedbackDetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.5.2 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
4.6 3-D Teleoperated Touch FeedbackUsing AFM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
4.6.1 Three-Dimensional Force Decoupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
4.6.2 Adaptive FrictionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
4.6.3 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.7 Haptic Teleoperation for 3D Microassembly of Spherical Objects . . 211
4.7.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.7.2 3DMicroassembly Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.7.3 Assisted GripperAlignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4.7.4 Pick-and-Placewith Haptic Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
4.7.5 Construction of a Two-Layer Pyramid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
4.7.6 Remarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
4.9 Nomenclature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5 Automated Control of AFM Based Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . 237
5.1 Automated Two-Dimensional Micromanipulation . . . . . . . . . . . . . . . 238
5.1.1 Problem Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.1.2 Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.1.3 Parameter Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
5.1.4 Controlled Pushing and Pulling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.1.5 Trajectory Planning for Pattern Formation . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.1.6 Assembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
5.2 Three-Dimensional Automated Micromanipulation Using a
NanotipGripperwithMulti-feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
5.2.1 SystemConfiguration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5.2.2 Manipulation Schemes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
5.2.3 Protocol for Automated Pick-and-Place. . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.2.4 Task Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
5.2.5 Grasping Point Searching and Contact Detection . . . . . . . . . . 260
5.2.6 ExperimentalResults and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
5.3 Atomic Force Microscopy Based Three-Dimensional
Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
5.3.1 SystemConfiguration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
5.3.2 Manipulation Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
5.3.3 Pick-and-PlaceNanomanipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
5.4 Parallel Imaging/Manipulation ForceMicroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . 278
5.5 High-Efficiency Automated Nanomanipulation with Parallel
Imaging/Manipulation ForceMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
5.5.1 SystemSet-Up of the PIMM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.5.2 Strategies for Automated ParallelManipulation . . . . . . . . . . . 286
5.5.3 Automated Control of the Parallel Nanomanipulation . . . . . . 293
5.5.4 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
6 Applications of AFM Based Nanorobotic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.1 Flexible Robotic System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.1.1 AFM-Based Flexible Robotic System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
6.1.2 AFM-FRS Setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
6.1.3 The Configuration of 3-DMicromanipulation . . . . . . . . . . . . 319
6.1.4 The Configuration of 3-D Nanomanipulation . . . . . . . . . . . . . 321
6.1.5 The Configuration for Parallel Nanomanipulation . . . . . . . . . 325
6.1.6 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
6.2 In Situ Nanoscale Peeling of One Dimensional Structure. . . . . . . . . . 332
6.2.1 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
6.2.2 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
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1楼 2013-11-28 22:26:11
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zhanghan81

银虫 (正式写手)

★★★★★ 五星级,优秀推荐

太多人干这个，诺奖也有

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4楼2013-11-29 00:24:23
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laitianmao

金虫 (小有名气)
最近花钱买了几本电子书，以飨虫友。谢谢您高抬贵手腕，扔点金子。Thanks giving 哦
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2楼2013-11-28 22:27:33
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大水杯3楼
2013-11-28 23:55   回复  
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freewill95楼
2013-11-29 08:20   回复  
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jinghemin14楼
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