Undergraduate research

Cílem této práce je v rámci výzkumu paralelní bezkontaktní manipulace s mikroskopickými objekty ověřit koncept tzv. čtyřsektorového elektrodového pole pro dielektroforézu.  Dielektroforéza je fyzikální jev, kdy se vlivem elektrického pole pohybují i elektricky neutrální objekty a jako taková je populárním nástrojem k transportu, separaci a identifikaci různého materiálu v biologii, chemii ale také lékařství.

Při dieletroforéze je klíčovým prvkem elektrické pole, které je ze značné míry určeno jednak uspořádáním elektrod a také jejich buzením. Z hlediska technologických nároků výroby elektrod stojí na jedné straně složitá pole vyžadující pokročilé technologie ale zároveň poskytující široké možnosti pro generování elektrického pole a na druhé straně jsou pole, které se dají vyrobit s nižšími nároky na vybavení, ale mají menší možnosti při dielektroforéze. Námi navržené uspořádání elektrod nazvané jako čtyřsektorové si neklade vysoké nároky pro výrobu a zároveň by se mohlo uplatnit v oblasti tzv. laboratoří na čipu (lab-on-chip) jako obdoba čtyřcestného směšovacího ventilu.

Jádrem práce je ověřit tento koncept na základě simulací, ale také pomocí experimentů. Simulace zahrnují výpočet elektrického pole, modelování pohybu objektů při dielektroforéze atd. Experimentální část bude zahrnovat dokončení firmware pro mnohakanálový signálový generátor, vytvoření řídícího SW pro počítač, sestavení experimentální aparatury a případně návrh fluidické části (přiváděcí kanálky) experimentální platformy.

Ve skupině aa4cc jsme dosáhli v této oblasti velmi zajímavé a experimentálně ověřené výsledky, a tak je touto cestou hledán další člen týmu, který se bude podílet na dokončení již rozpracované práce s velkým potenciálem zaujmout mezinárodní vědeckou i komerční komunitu.

V rámci výzkumu řízení bezkontaktní manipulace s mikroskopickými objekty bude úkolem této práce navrhnout řízení polohy objektu v jedné dimenzi pomocí dielektroforézy. Dielektroforéza je fyzikální jev, kdy se vlivem elektrického pole pohybují i elektricky neutrální objekty a jako taková je populárním nástrojem k transportu, separaci a identifikaci různého materiálu v biologii, chemii ale také lékařství.

Přestože se dieletroforéza využívá již řadu let, stále poskytuje relativně velký prostor pro aplikaci metod známých z teorie dynamických systému. Například zpětná vazba se zde využívá jen zřídka a většina aplikací se provozuje pouze s přímovazebním řízením, takže například zpětnovazební stabilizace polohy objektu je stále otevřené téma.

Cílem této práce je navrhnout a ověřit způsob řízení polohy objektu v jedné dimenzi pomocí dielektroforézy. K tomu účelu bude třeba jednak navrhnout a postarat se o výrobu experimentální platformy, která se bude skládat z pole elektrod pro generování elektrického pole a z mikrofluidického kanálku, který bude sloužit jednak k udržení objektu v jednom směru a také jako zdroj poruchové veličiny – proudění kapaliny kolem objektu. Tento typ návrhové práce je již na pracovišti zadavatele zvládnut, a tak student nebude prošlapávat kompletně neznámou oblast. Nicméně touha učit se nové věci na hranici elektroinženýrství a fyziky je žádoucí.Teoretická část práce se bude dotýkat návrhu způsobu řízení a dále také jeho simulaci.

V rámci výzkumu řízení bezkontaktní manipulace s mikroskopickými objekty bude úkolem této práce ověřit koncept fázového buzení maticového elektrodového pole pro dieletroforézu. Dielektroforéza je fyzikální jev, kdy se vlivem elektrického pole pohybují i elektricky neutrální objekty a jako taková je populárním nástrojem k transportu, separaci a identifikaci různého materiálu v biologii, chemii ale také lékařství.
 
Při dieletroforéze je klíčovým prvkem elektrické pole, které je ze značné míry určeno jednak uspořádáním elektrod a také jejich buzením. Většinou se při řízení dieletroforézy využívá proměnné amplitudy harmonického signálu, případně je možné měnit frekvenční obsah signálu složeného z několika harmonických. Dosud ale nejsou zprávy o tom, že by se využívalo řízení pomocí proměnné fáze signálu. Naše předběžné simulace ukazují, že by mohlo jít o zajímavý způsob se slibným dopadem. Fázové buzení je zvláště zajímavé ve spojení s tzv. maticovým elektrodovým polem, kde jsou jednotlivé elektrody rozmístěny jako na šachovnici.

Jádrem této práce je tedy ověřit koncept využití proměnné fáze pro řízení dieletroforézy. Zatímco teoretická část práce by byla zaměřená především na simulace a návrh řídicích algoritmů, praktická by zahrnovala návrh firmware pro mnohakanálový generátor signálu vyvinutý ve skupině aa4cc, úpravu experimentální aparatury a především provedení samotných experimentů. Poměr mezi teoretickou a praktickou částí je možné upravit podle preferencí řešitele.

Výsledek práce může být potenciálně aplikovatelný například v oblasti tzv. samoskládání součástek, které je nadějnou metodou skládání mikroskopických zařízení.

The goal is to survey possible technical solutions to the task of distributed estimation of a structure of a network of mobile vehicles, that is estimating the distances and and directions. Among the physical principles, the radio waves seem the most applicable due to ubiquitious wireless networking. The task will be to explore the potentials and pitfalls related to the use of wireless networking protokols. A strong preference for the use of off-the-shelf components and standard protocols will be exerted.

The goal is to buld an experimental laboratory setup for linear micropositioning using stick-slip and ultrasonic actuators. Laser interferometer will be used as the sensor. Diverse feedback control schemes will be designed tested.