磁性微型機(jī)器人廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，其特殊的結(jié)構(gòu)和特性有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)藥物傳遞、無(wú)創(chuàng)診斷和基于細(xì)胞的治療等醫(yī)療工作。然而，目前控制此類微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的技術(shù)依賴于同質(zhì)磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，容易受到微型機(jī)器人特性和周圍環(huán)境的影響。當(dāng)周圍環(huán)境或微觀機(jī)器人本身的特性發(fā)生改變時(shí)，這些驅(qū)動(dòng)方式缺乏通用性和適應(yīng)性，并且由于電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和微型機(jī)器人位置的獨(dú)立控制，微型機(jī)器人的移動(dòng)容易出現(xiàn)短暫的延遲。

針對(duì)上述問(wèn)題，大邱慶北科學(xué)技術(shù)院的Sarmad Ahmad Abbasi 團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)電磁線圈產(chǎn)生的梯度場(chǎng)對(duì)磁性微型機(jī)器人進(jìn)行基于機(jī)器學(xué)習(xí)的位置控制的方法。該方法通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)線圈電流模擬一個(gè)微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的環(huán)境，從而控制微型機(jī)器人在規(guī)定工作區(qū)域內(nèi)的三維位置。在模擬訓(xùn)練結(jié)束后，上述機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)移到反映現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜性的物理電磁致動(dòng)系統(tǒng)中使用，相比于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，該方法更精確、更高效。該成果以《Autonomous 3D positional control of a magnetic microrobot using reinforcement learning》為題發(fā)表在Nature Machine Intelligence上^[1]。

圖1  磁性微型機(jī)器人通過(guò)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)模擬控制三維位置示意圖

本文中，作者使用了美國(guó)低溫設(shè)備制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.新推出的振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，對(duì)該微型機(jī)器人的磁化強(qiáng)度進(jìn)行了表征，用以計(jì)算模擬環(huán)境中所使用的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)大小。該設(shè)備基于7400系列VSM成熟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，推出了全新8600系列VSM系統(tǒng)。8600系列以提高產(chǎn)品性能和用戶體驗(yàn)為目標(biāo)，對(duì)其各部分的測(cè)量元件和操作部件都進(jìn)行了全新優(yōu)化升級(jí)，在提升靈敏度和磁場(chǎng)分辨率的情況下，還增強(qiáng)了設(shè)備的操作性。

一、主機(jī)部分

Lakeshore 8600系列VSM

? 更優(yōu)異的性能

8600系列VSM采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在降低測(cè)量噪聲的同時(shí)還提高了采樣速度。系統(tǒng)具有15 nemu的超高靈敏度、1 mOe的磁場(chǎng)分辨率、自帶10000 Oe/s的超快磁場(chǎng)變化率和高達(dá)10ms/pt的數(shù)據(jù)采集速度，繪制一個(gè)完整的磁滯回線只需30秒。

100ms/point 時(shí)無(wú)樣品背景噪聲測(cè)試，噪聲峰值119.5 nemu - 800 nemu（左）；

10s/point 時(shí)無(wú)樣品背景噪聲測(cè)試，噪聲峰值13 nemu - 50 nemu（右）

? 更人性化的操作

8600系列產(chǎn)品升級(jí)的另一個(gè)核心是設(shè)備的可操作性。Lake Shore公司將自研的QuickLIGN™安裝組件內(nèi)置于該系列產(chǎn)品中，極大地簡(jiǎn)化了樣品安裝和更換的流程，單手即可完成操作。同樣，QuickLIGN™安裝組件與8600系列VSM的所有變溫選件兼容，使得安裝和配置溫度選件5分鐘內(nèi)即可完成。

此外，8600系列的VSM磁體內(nèi)置了ExactGAP™功能，設(shè)置了6個(gè)可重復(fù)的固定間隙，無(wú)需進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

QuickLIGN™安裝組件	ExactGAP™可重復(fù)磁極間隙調(diào)整功能

? 更強(qiáng)大的操作軟件

8600系列VSM 配備了全新的測(cè)量軟件，界面簡(jiǎn)單，只需幾步操作即可實(shí)現(xiàn)設(shè)置、執(zhí)行程序、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理等功能。軟件包含一個(gè)完整的腳本引擎，用戶可以使用提供的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議腳本或自行創(chuàng)建腳本，設(shè)定自定義實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)與變溫選件(86-OVEN， 86-CRYO， 或86-SSVT)聯(lián)用時(shí)，該軟件可以自動(dòng)檢測(cè)接入系統(tǒng)的變溫選件，并與集成的705氣體控制器配合使用，從而在4.2 K~1273 K的整個(gè)溫區(qū)中提供自動(dòng)化的VSM測(cè)量。

系統(tǒng)軟件還具備處理擴(kuò)展和補(bǔ)償數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)退磁和斜率因子、規(guī)范樣品質(zhì)量和體積、從測(cè)量數(shù)據(jù)中修正及扣除襯底數(shù)據(jù)以及計(jì)算及顯示導(dǎo)數(shù)曲線等功能，進(jìn)一步提升了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和效率。

8600系列VSM操作軟件界面

? 一階反轉(zhuǎn)曲線功能FORC

一階反轉(zhuǎn)曲線(FORC)是一種新型磁學(xué)測(cè)量方法，主要適用于測(cè)量含有諸多磁性礦物的自然樣品，確定磁性礦物矯頑力的分布以及磁性礦物顆粒之間磁相互作用的強(qiáng)弱，幫助區(qū)分磁性礦物的種類和磁疇轉(zhuǎn)換。FORC測(cè)量需要較高的磁場(chǎng)變化率和數(shù)據(jù)采集速率，8600系列VSM的標(biāo)配系統(tǒng)自帶FORC測(cè)量功能，可以滿足測(cè)量參數(shù)的需求。FORC的測(cè)量結(jié)果還可以通過(guò)2D圖像實(shí)時(shí)顯示，測(cè)量結(jié)果更直觀。

一階反轉(zhuǎn)曲線（FORC）測(cè)量數(shù)據(jù)

二、 變溫選件

Lakeshore的8600系列VSM配備了三種不同的變溫選件：SSVT一體化變溫選件、CRYO低溫恒溫器選件和Oven高溫選件，以滿足不同的溫度需求。變溫選件采用GlideLOCKTM設(shè)計(jì)，軟件可以自動(dòng)檢測(cè)變溫選件的安裝，操作十分簡(jiǎn)便。

GlideLOCKTM變溫選件和溫度控制器

Lakeshore VSM變溫選件溫度范圍

SSVT一體化變溫選件：100 - 950K（左）；低溫恒溫器變溫選件 4.2-450K（中）Oven高溫爐選件：303-1273K（右）

三、矢量線圈組件

Lakeshore 8600系列VSM同樣提供了矢量線圈組件，配合振動(dòng)頭的旋轉(zhuǎn)功能，可以進(jìn)行磁性材料各向異性測(cè)量表征，從而確定其矢量磁化分量和電感張量。矢量線圈組件可以進(jìn)行室溫測(cè)量，也可以與變溫選件聯(lián)用進(jìn)行變溫測(cè)量。

室溫矢量測(cè)量（左）；與SSVT選件聯(lián)用的變溫矢量測(cè)量（右）

關(guān)于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.：

美國(guó)Lake Shore公司（www.lakeshore。。ｃｏｍ）是溫度和磁場(chǎng)條件下高精度測(cè)量和控制解決方案的創(chuàng)新者。主要產(chǎn)品包括低溫探針臺(tái)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)、M81同步源測(cè)量系統(tǒng)、Janis系列低溫恒溫器、低溫控溫儀、低溫溫度傳感器、高斯計(jì)及霍爾傳感器等。Lake Shore公司一直致力于推動(dòng)科學(xué)發(fā)展，其產(chǎn)品解決方案不斷創(chuàng)新，應(yīng)用領(lǐng)域從物理實(shí)驗(yàn)室到深太空科學(xué)探索不斷發(fā)展。