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

針對上述問題，大邱慶北科學技術(shù)院的Sarmad Ahmad Abbasi 團隊提出了一種通過電磁線圈產(chǎn)生的梯度場對磁性微型機器人進行基于機器學習的位置控制的方法。該方法通過直接驅(qū)動線圈電流模擬一個微型機器人運動的環(huán)境，從而控制微型機器人在規(guī)定工作區(qū)域內(nèi)的三維位置。在模擬訓練結(jié)束后，上述機器學習過程轉(zhuǎn)移到反映現(xiàn)實世界復雜性的物理電磁致動系統(tǒng)中使用，相比于傳統(tǒng)數(shù)學模型計算，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  磁性微型機器人通過驅(qū)動磁場模擬控制三維位置示意圖

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

一、主機部分

Lakeshore 8600系列VSM

? 更優(yōu)異的性能

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

100ms/point 時無樣品背景噪聲測試，噪聲峰值119.5 nemu - 800 nemu（左）；

10s/point 時無樣品背景噪聲測試，噪聲峰值13 nemu - 50 nemu（右）

? 更人性化的操作

8600系列產(chǎn)品升級的另一個核心是設(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個可重復的固定間隙，無需進行重新校準。

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

? 更強大的操作軟件

8600系列VSM 配備了全新的測量軟件，界面簡單，只需幾步操作即可實現(xiàn)設(shè)置、執(zhí)行程序、實驗測量和數(shù)據(jù)處理等功能。軟件包含一個完整的腳本引擎，用戶可以使用提供的標準協(xié)議腳本或自行創(chuàng)建腳本，設(shè)定自定義實驗條件進行測量。

當與變溫選件(86-OVEN， 86-CRYO， 或86-SSVT)聯(lián)用時，該軟件可以自動檢測接入系統(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的整個溫區(qū)中提供自動化的VSM測量。

系統(tǒng)軟件還具備處理擴展和補償數(shù)據(jù)、校準退磁和斜率因子、規(guī)范樣品質(zhì)量和體積、從測量數(shù)據(jù)中修正及扣除襯底數(shù)據(jù)以及計算及顯示導數(shù)曲線等功能，進一步提升了實驗的準確性和效率。

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)是一種新型磁學測量方法，主要適用于測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弱，幫助區(qū)分磁性礦物的種類和磁疇轉(zhuǎn)換。FORC測量需要較高的磁場變化率和數(shù)據(jù)采集速率，8600系列VSM的標配系統(tǒng)自帶FORC測量功能，可以滿足測量參數(shù)的需求。FORC的測量結(jié)果還可以通過2D圖像實時顯示，測量結(jié)果更直觀。

一階反轉(zhuǎn)曲線（FORC）測量數(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，軟件可以自動檢測變溫選件的安裝，操作十分簡便。

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，配合振動頭的旋轉(zhuǎn)功能，可以進行磁性材料各向異性測量表征，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行室溫測量，也可以與變溫選件聯(lián)用進行變溫測量。

室溫矢量測量（左）；與SSVT選件聯(lián)用的變溫矢量測量（右）

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

美國Lake Shore公司（www.lakeshore。。ｃｏｍ）是溫度和磁場條件下高精度測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、振動樣品磁強計、霍爾效應(yīng)測量系統(tǒng)、M81同步源測量系統(tǒng)、Janis系列低溫恒溫器、低溫控溫儀、低溫溫度傳感器、高斯計及霍爾傳感器等。Lake Shore公司一直致力于推動科學發(fā)展，其產(chǎn)品解決方案不斷創(chuàng)新，應(yīng)用領(lǐng)域從物理實驗室到深太空科學探索不斷發(fā)展。