感知精密运动控制

作者：Joseph Ogando    来源：DesignNews

欢迎访问e展厅 展厅 4 伺服与运动控制展厅 电机驱动器, 伺服电机, 伺服控制系统, 数控系统, ... 并不是只有工程师的大脑才有运动控制。事实上，大多数的人能够每天四处走动，都离不开世界上最精密运动系统的帮助，这种运动系统就存在于我们的内耳中。 “内耳是生物运动系统最辉煌的成就，”弗吉尼亚大学从事听觉研究的神经学专家Jeffrey R. Holt博士说。内耳含有作为机械换能器的毛细胞，它们能把来自声音和头部运动的机械位移转换成电子信号后传送给大脑。据Holt介绍，这些毛细胞的长度通常不超过30mm，宽不超过5mm；作为体内平衡系统的一部分，它们能够感知小至0.1nm的头部直线运动或转动。 “并且它们的速度快得惊人，”他说。人类听觉覆盖的频率范围大约从20Hz到20kHz，健康的毛细胞能够在这样的频率范围内对声诱位移做出反应。某些哺乳类动物甚至具有更高速的听觉系统，覆盖的频率范围最高可达150kHz。 毛细胞提供的速度和解析度对任何想保持直立或者想进行对话交流的人来说都是一个好消息。但是，对于那些对内耳工作方式感兴趣的研究者来说，这些微小的毛细胞却是一个巨大的工程问题，因为这些研究者们正试图设计出能够研究这种毛细胞机械转换过程的 实验设备。Holt说，“由于我们在制造足够快并能应对纳米级位移的实验和测量设备方面的能力有限，所以我们对毛细胞功能的很多方面知道的太少。" 但在最近，Holt与Holt-Holt-Géléoc感官神经生理学实验室的研究同行们在实验设备的设计上取得了一些突破，这些实验设备可以让他们开展毛细胞听觉作用的研究。 他们利用德国Physik Instrumente (PI)公司提供的纳米定位元件，建造了一个新型实验系统。该系统为实验室赢得了PI公司颁发的25,000美元的纳米创新奖（NANO Innovation Grant），并将帮助该实验室实现更大的研究目标——更好地了解耳朵的生理学特征，这是发展治愈遗传性耳聋和平衡障碍治疗方法的第一步。“这才是我们真正的终极目标，”Holt说。 该实验室最新型实验和检测设备的设计，对高新技术行业的工程师们来说也是意义非凡，因为他们也要越来越多地应对纳米级和微米级的运动问题。PI公司北美市场部主任Stefan Vorndran说，“纳米定位系统无疑会逐渐成为主流。最大的驱动力来自半导体工业，其度量衡方面的需求会越来越受到基于滚珠丝杠和电动机传统微米定位系统的限制。” 微小的实验设备 通过实验，Holt与他的研究者们对内耳的机械换能过程进行了描绘，首先他们用机械方法刺激老鼠的活毛细胞，然后测量所得到的电子信号。为此，他们设计出了一种可以模仿和听觉相关的变位与频率的纳米刺激器（参见图表）。该系统现在可以处理高至10kHz左右的频率并且能够触发0.1纳米到几微米范围内的变位，在这个数量级上，这确实是一个很巨大的范围了。 这种纳米刺激器是由研究者Andrea Lelli和Eric Stauffer研制的，他们采用了PI PL033型压电驱动器。他们之所以选用这种驱动器，是因为其高共振频率、微小步长、低电容和微小的尺寸。为了以与人类听觉相关的频率来驱动这种驱动器，他们选用了一种快速的压电驱动机，PI公司的E-505。 据Lelli说，这种纳米刺激器通过使驱动器本身的负载保持最小来限制共振。“由压电驱动器移动的唯一物体是一个很小的微量玻璃吸管，为了适合放入毛细胞束，该吸管的顶部被弯曲并呈圆形，”他说。这个微量吸管的质量只有60到80毫克，它被粘贴在驱动器的前端面并由一个Teflon（特氟纶）导丝板支撑，这样做是为了把横向移动和振动减小到最低水平。驱动器运动轴中的后端面附着在一个安装于PI “纳米立方体”（Nanocube）的硬钢条上，PI “纳米立方体”是一种具有纳米步长的定位装置。这个纳米定位装置把纳米刺激器的顶端与毛细胞束并列在一起。 在弗吉尼亚大学Holt-Géléoc 感官神经生理学实验室里，研究者们使用压电驱动器和纳米定位装置来帮助揭示人类的听觉奥秘。 最后，该系统还包含用于检测变位毛细跑生成的毫伏电子信号的元件。连接到另一个纳米立方体定位平台上的第二个微量吸管和一个模拟记录仪（基于一种简单的RC电路）用于收集电子数据。这些实验都在Zeiss Axioskop FS Plus型号的一架立式显微镜下进行，这架显微镜配备有微分干涉相衬光学器件和63X水浸物镜。 该系统在方案研究阶段与这家实验室的研究者们过去几年自己设计和研制的实验设备很相像。“我们过去已经使用过压电驱动器和纳米定位装置，”Holt说。但是，使用PI公司设备的系统“性能大大好于我们以前建立的任何系统，”他说。并且，这些性能的提高帮助实验室拓展了对内耳的研究探查范围。 Holt说，他们实验室以前的系统只能让毛细胞以最高几百赫兹的频率变位。“PI公司的元件能让我们组装出速度有几何级数量增长的设备，”他说。这种速度让Holt和他的研究者们能够做以前不能做的事情。“在这以前，我们的研究重点只能停留在毛细胞的前庭、毛细胞的平衡、毛细胞的功能等方面，”Holt说。 在其新型纳米刺激器提供的高频率性能的协助下，Holt和他的研究者们已经开始进行可以揭示关于听觉生理学更多奥秘的实验了。“我们以前不能够探查毛细胞的听觉功能，因为我们设备的速度太慢，”Holt说。“现在，我们可以开始确认关于毛细胞工作的一些理论和推测了。” (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/6/2008)