Investigation and experimental verification of untethered microrobot motion behavior subject to laminar flow
Laminer akış altındaki temassız bir mikrorobotun hareket davranışının incelenmesi ve deneysel doğrulanması
- Tez No: 710103
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ÜVET
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Akış analizi, Laminer akış, Manyetik geçirgenlik, Manyetik sistemler, Mikro akışkan analiz teknikleri, Flow analysis, Laminar flow, Magnetic permeability, Magnetic systems, Microfluidic analytical techniques
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Mikrorobotların temassız manipülasyonu, tıbbi ve biyolojik uygulamalarda umut verici bir araştırma alanı olarak ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada, bir mikroakışkan kanal içerisinde bulunan ve yüksek hassasiyette temassız bir şekilde kontrol edilebilen manyetik mikrorobota ait mikromanipülasyon tekniği anlatılmıştır. In-vitro uygulamalar için yüksek akış hızlı mikroakışkan kanallar üzerinde çalışabilen ve temassız hareket edebilen mikrorobotik bir platform geliştirilmesi hedeflenmektedir. İlk olarak, substratın yüzeyi ile mikrorobot arasındaki sürtünme kuvvetini ortadan kaldırmak için yeni bir diyamanyetik levitasyon konfigürasyonu kullanılmaktadır. İkinci olarak, mikrorobot üzerine etki eden sürükleme kuvveti azaltığı için mikrorobot akışa doğru ve akışa karşı hareket edebilmektedir. Daha sonra, sıvı ortamın mikrorobot üzerindeki hidrodinamik etkileri, COMSOL (sürüm 5.3, COMSOL Inc., Stockholm, İsveç) içindeki sonlu elemanlar yöntemi (FEM) simülasyonları ile optimize edilmektedir. Analitik ve simülasyon çalışmaları önerilen tekniğin avantajlarını göstermek için deneysel sonuçlarla doğrulanmaktadır. Deneysel sonuçlar, analitik ve simülasyon çalışmaları ile aynı olması; bu çalışmanın mikrorobot üzerindeki yanal kuvvetleri önemli ölçüde geliştirdiğini ve yüksek hızlı akışın mevcut olduğu akışkanik kanallarda daha kararlı bir yanal hareket sağladığını göstermektedir. Akış hızındaki bir artış, mikrorobot üzerindeki sürükleme kuvvetini üssel olarak artırmakta ve konumlandırma doğruluğunu olumsuz yönde etkilemektedir. Mikrorobotun yanal kuvvetinin arttırılması, sıvı akışının etkilerinin azaltılmasına yardımcı olur ve yanal hareket stabilitesini artırmaktadır. Yüksek akış hızları 5 mm/s için bir mikrorobotun yanal hareketini araştıran önceki bir çalışma bulunmamaktadır. Yanal kuvvet çalışmaları, mikrorobotların hücreler üzerindeki araştırmalarda, mikromanipülasyon ve Çip-üstü-laboratuvar (lab-on-a-chip) gibi birçok alanda uygulanabilirliğini artırmak konusunda önemli bir yer almaktadır. İlgili çalışmada aşağıdaki noktalar başarılmış ve detaylarına yer verilmektedir: - Mikrorobot, sıvı bir ortamda üç boyutlu doğrusal ve iki yönde açısal hareket edebilmektedir. - Mikrorobotun kararlı çalışma aralığı 30 um ile 330 um arasındadır ve hem simülasyonlarda hem de deneysel sonuçlarda doğrulanmıştır. Verilen yörüngeyi, değişen hızlarda ve farklı levitasyon yüksekliklerinde yüksek doğrulukla (<1 um hata ortalaması) takip edebilmektedir. - Kural tabanlı, lazer geri beslemeli, görsel geri beslemeli ve hibrit model denetleyicileri tasarlanması ile mikrorobotun yüksek hızlardaki açısal problemi iyileştirilmiştir. - Kare şeklindeki bir mikroakışkan kanal içerisimde 132.6 mm/s göreceli bir hızla doğrusal bir yörüngeyi takip etme başarısı göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Untethered manipulation of microrobots is emerging as a promising field of research in medical and biological applications. This study presents an untethered micromanipulation technique to control magnetic microrobot with high precision positional accuracy inside a microfluidic channel. It is aimed to develop an untethered microrobotic platform that can operate on high flow rate microfluidic channels for in vitro applications. Firstly, a novel diamagnetic untethered levitation configuration is used in order to eliminate the friction force between the substrate's surface and the microrobot. Secondly, the drag force acting on the microrobot is decreased to move the microrobot longitudinally towards and against the flow. After that, the liquid media's hydrodynamic effects on microrobot is optimized by finite element method (FEM) simulations in COMSOL (version 5.3, COMSOL Inc., Stockholm, Sweden). Analytical and simulation studies are conducted, which are then validated by experimental results to demonstrate the advantages of the developed platform. Experimental results are on par with analytical and simulation studies, and this platform significantly improves the longitudinal forces on the microrobot. Moreover, this platform also provides a more stable longitudinal motion in fluidic channels, where a high rate flow is present. An increase in flow rate exponentially increases the drag force on the microrobot and negatively impacts its positioning accuracy. Increasing the longitudinal force generated by the microrobot's driving apparatus helps disrupt the fluid flow and increases longitudinal motion stability. No prior study exists investigating the longitudinal motion of a microrobot for high flow velocities ($\sim 5$ mm/s). Longitudinal force investigation is an important topic for increasing the applicability of microrobots in many areas such as cell research, micromanipulation, and lab-on-a-chips. The following points are achieved in the relevant study, and their details are given: - The microrobot can move in three dimensions and two orientations in a liquid environment. - The microrobot stable levitation range is determined between 30 um to 330 um. This range is also confirmed with simulation and experimental studies. Furthermore, the microrobot capable of tracking the desired trajectory with the accuracy of <1 um at varying speed. Also, the levitation height can be adjusted in the stable working range. - Different controllers are used such as“rule-based”,“laser-feedback”,“visual-feedback”, and“hybrid model”to reduce the microrobot orientation at higher speeds. - The microrobots' ability in a square-shaped microfluidic channel is demonstrated by following a linear trajectory with a relative flow velocity of up to 132.6 mm/s.
Benzer Tezler
- İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge PlanlamaEge ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
- Kuyruk modelleri ve analizi üzerine bir uygulama
Başlık çevirisi yok
DİDEM ÖZPULAT
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
İstatistikEge ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİKRET İKİZ
- Samsun ve çevresinde tarla sarmaşığı (conuolvulus arvensis L.)'na karşı biyolojik savaşa esas olacak fauna tespiti
Investigations on the insect fauna of the field binweed (Conuolvulus arvensis L.) related to its biological control in Samsun Province
YASEMİN UFUK GERMAN
- Gebelik ve doğum olgularında prolaktin düzeylerinin değerlendirilmesi
The Evaluation of prolactin values during pregnancy labour and in deliveries
TÜLİN AKAN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kadın Hastalıkları ve DoğumGazi ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MÜLAZIM YILDIRIM
- Bromtimol mavisi, bromkresol moru ve klorfenol kırmızısı indikatörleri katılmış özel besiyerlerinin sütlerde antibiyotik belirtilmesine uygunluğu üzerine araştırmalar
Başlık çevirisi yok
ESENGÜL TUNCER
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiSüt Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN YAYGIN