一种精准治理污水的纳米机器人

1.本发明涉及微纳米机器人技术领域，特别是一种精准治理污水的纳米机器人。


背景技术：

2.微纳米机器人由于体积小，能够无损穿过生物组织等特点，因此在生物医学、环境检测和处理等多个领域具有非常重要的潜在作用。
3.目前，微纳米机器人，通常是通过微纳米马达来实现驱动的，微纳米马达在溶液中随时间不断变化呈现无规则运动，但通过磁场、超声、光、电等方法能够实现对微纳米马达的导航和速度的精准调空，从而使得在现实应用中成为可能。
4.但是，目前的微纳米马达的导航控制并没有达到理想的精确控制，作为核心的微纳米马达不能精确控制，那么纳米机器人的性能也势必受到影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可控性高、能对各部位分别进行精准控制、能够根据实际情况进行自转和前进、动力大的精准治理污水的纳米机器人。
6.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种精准治理污水的纳米机器人，包括：
7.仿生本体，其内装有纳米马达，纳米马达内装有过氧化氢燃料；
8.用于多种污水处理的探针，其包括由自组装的烷基硫醇构成的长链、烷基硫醇的极性头部官能团，其连接在仿生本体的头部处。
9.进一步地，所述的探针，其极性头部官能团，根据不同的污水情况来选择，其外层包括但不限于以下枝链层：
10.修饰au/ni/pt枝链层，用于清除污水中的油性液体；
11.伴刀豆凝集素a接枝，用于清理大肠杆菌；
12.修饰mg-au janu，用于清理有机物；
13.修饰pt-fe，用于清理染料废水；
14.修饰表面修饰凝血酶-atp，用于清理蛋白质；
15.修饰有特异性单链dna，用于清理核酸；
16.高水溶性氨基葡萄糖祸合哇琳/罗丹明基团，用于络合汞离子。
17.可选地，所述的仿生本体的头部为锥形头；仿生本体，其头部大于其中部，其头部与其中部相连；仿生本体的中部，其前端的表面上开有流出孔；
18.锥形头的后端面处具有pt催化层，过氧化氢燃料经管筒输送至pt催化层后发生催化分解，催化分解后释放氧气和氢气时给锥形头形成自驱动。
19.进一步地，所述的锥形头包括多个锥形层叠合而成；多个锥形层叠合时，从内至外依次为pt催化层、fe-ni磁性层、ti惰性层、au薄层。
20.进一步地，所述的纳米马达通过管筒经流出孔引至锥形头处；
21.管筒的前端经含有偶氮苯的材质封闭，紫外线照射偶氮苯来实现管筒的开闭，从
而控制管筒输送过氧化氢的开闭，从而实现引导控制。
22.可选地，所述的仿生本体，其中部设置处的外表面处设置有齿轮，齿轮每个齿的同顺时针侧/逆时针侧沉积有铂层；当齿轮上的铂层与过氧化氢接触时，将过氧化氢催化分解为水和氧气，形成自驱动，于是实现本体的转动。
23.可选地，所述的仿生本体上嵌设有磁性的段或层；由柔性的铂—金—银—锡纳米线构成，其中铂—金段负责催化，而金—银—锡段负责磁场驱动，使催化与磁驱动模式之间快速简单的切换；
24.所述的仿生本体不对称设置，由于铂—金段的存在，仿生本体发生自转动。
25.可选地，所述的仿生本体上嵌设有磁性的段或层；所述的仿生本体上，具有装饰连接处，用于选择性的装载和运输货物。
26.可选地，所述的仿生本体，其尾部处装有氟碳乳液燃料，其尾部还连接有喷气结构；
27.在超声波作用下，氟碳乳液燃料被汽化，从喷气结构中喷出，从而推动纳米机器人高速运动。
28.进一步地，所述的喷气结构包括多个尾管，尾管内嵌有磁层，通过磁场控制尾管的摆动方向，控制纳米机器人前进的方向；所述的尾管呈dna链状。
29.可选地，所述的仿生本体，其尾部装有聚二甲基硅氧烷，其尾部还连接有仿生尾；
30.仿生本体的尾部处，还设置有含有偶氮苯的表层，其将内部的聚二甲基硅氧烷封闭；
31.仿生尾处，具有pt层；
32.在紫外线的照射下，含有偶氮苯的表层打开，让聚二甲基硅氧烷释放，从而与仿生尾处的pt层进行催化反应，形成反冲击；
33.在可见光照射下，含有偶氮苯的表层关闭。
34.进一步地，所述的仿生本体呈仿生鱼状。
35.本发明具有以下优点：
36.用于不同污水的探针的设置，能够根据污水的具体情况，进行精准治理；
37.通过反应条件与运动速度的关系，能够对溶液中物质的含量、反应条件进行定量监测；并且运动速度降低时，在污染处停留时间长，能重复对污水进行处理，实现监测和治理的一体化；
38.(3)仿生本体，各个不同的部位，通过多种不同形式进行驱动，实现对各部位动作的精准控制，从而提高动作和引导精度，同时还提高运动速度；
39.(4)锥形头的结构，既能通过过氧化氢与pt催化层的的作用，实现前进；
40.又能通过，fe-ni磁性层，通过磁场能够进行引导；
41.并且，还通过分子梭来进行控制；
42.(5)在仿生本体嵌有磁性的段或层，而仿生本体的不对称设置，使得仿生本体能够自转动；
43.同时仿生本体的磁性的段或层，还能通过磁场牵引；
44.(6)在仿生本体中部，通过设置齿轮以及齿轮齿上的沉淀pt层，让齿轮转动，从而实现纳米机器人的悬浮；
45.(7)在尾部有两者设计，一种是通过紫外线光的条件，让聚二甲基硅氧烷与pt层反应，进行推动；
46.或者通过超声波条件，引导氟碳乳液燃料汽化，实现推动，并且推动速度及其快；此外，尾管还设有磁层，通过外加磁场，能够控制尾管的摆动，利于精准控制纳米机器人的前进方向；
47.(8)氧化物溶液中加入肼或银离子，提高纳米或马达的速度和驱动力。
附图说明
48.图1为本发明的结构示意图；
49.图2为本发明的内部结构示意图；
50.图3为本发明的另一角度结构示意图；
51.图4为本发明尾部通过尾管驱动的结构示意图；
52.图5为图4内部的结构示意图；
53.图中：1-仿生本体，2-探针，3-长链，4-极性头部官能团，5-齿轮，6-螺旋状尾部，7-纳米马达，8-管筒，9-锥形头。
具体实施方式
54.下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
55.如图1～图3所示，一种精准治理污水的纳米机器人，包括仿生本体1、多个探针2；其中，仿生本体1内装设有纳米马达7，纳米马达7内装有过氧化氢燃料；多个探针2连接在仿生本体1头部上。
56.本方案中，探针2其包括由自组装的烷基硫醇构成的长链3、烷基硫醇的极性头部官能团4，其连接在仿生本体1的头部处。其中，其极性头部官能团4，根据不同的污水情况来选择，其外层包括但不限于以下枝链层：修饰au/ni/pt枝链层，用于清除污水中的油性液体；伴刀豆凝集素a接枝，用于清理大肠杆菌；修饰mg-au janu，用于清理有机物；修饰pt-fe，用于清理染料废水；修饰表面修饰凝血酶-atp，用于清理蛋白质；修饰有特异性单链dna，用于清理核酸；高水溶性氨基葡萄糖祸合哇琳/罗丹明基团，用于络合汞离子。当然，在仿生本体1的表面，同样可以设置相应的枝链层。
57.本实施例中，仿生本体1的头部为锥形头9，锥形头8的后端面处具有pt催化层，纳米马达7内的过氧化氢通过管筒8引至锥形头9处。过氧化氢燃料经管筒8输送至pt催化层后发生催化分解，催化分解后释放氧气和氢气时给锥形头9形成向前的力，形成牵引。
58.进一步地，锥形头8包括4层叠合而成；从内至外依次为pt催化层、fe-ni磁性层、ti惰性层、au薄层。
59.更进一步地，在pt催化层掺杂碳纳米管，提高速度。具体地，管状微马达的内部pt表面对过氧化氢燃料催化分解，生成的氧气气泡产生连续推进力；推动马达向前运动；过氧化物燃料通过管前端的小开口进入微型锥管中，微管腔内的铂催化层激；活过氧化氢燃料分解，产生氧气，并随之成核形成气泡，一旦气泡从马达后方的出口分离，微马达便保持管内没有气泡的原始形状以迎接下一个运动循环(不断重复，从而使机器人能在低雷诺数下
运动)。
60.再进一步地，仿生本体1的中部的前端处开有流出孔，锥形头9大于仿生本体1中部的前端，纳米马达7内的过氧化氢筒管筒8排出，然后经过流出孔与锥形头8上的pt催化层接触。
61.本实施例中，仿生本体11的中部表面，还设置有装饰连接处，可用于选择性的装载和运输货物，选择性的加载相应的功能，加载组装后在进行定向运输。
62.为了控制方向，在仿生本体1中，也嵌设有磁性的段或层，再结合外部磁场的引导来实现。将较短的具有磁性的金属(镍)段嵌入到纳米马达中，该磁性段可以在垂直于纳米线长轴的横向外部磁场下磁化。通过磁场控制运动方向，可控制纳米马达沿着预定的轨迹运动。本体沿着预定轨迹被磁场精确引导和转向，让纳米马达在复杂的微通道网络中沿着预定的路径定向运动，实现在微芯片节点外的磁性分选。利用磁性取向，更好的可视化比较各种实验参数对马达速度的影响。
63.并且仿生本体1不对称设置。由于铂—金段的存在，过氧化氢与仿生本体1上铂—金段接触时，不同位置的分解程度不一样，导致生产气泡的多少不一样，那么形成力的不平衡，从而使仿生本体1发生自转。
64.本实施例中，为了提高速度，在过氧化物溶液中加入肼或银离子，提高纳米或马达的速度和驱动力。速度从5.0pum/s增加至94.0pum/s，速度显著提高近20倍。
65.可选地，一种精准治理污水的纳米机器人，还对管筒8的开闭进行了设计，纳米马达7通过管筒8经流出孔引至锥形头9处。
66.具体地，有两种设计方式，一种是：管筒8的前端经含有偶氮苯的材质封闭，紫外线照射偶氮苯来实现管筒8的开闭，从而控制管筒8输送过氧化氢的开闭，从而实现引导控制。
67.另一种是：在管筒8本身具有多个释放口，释放口处还设置有分子梭；通过分子梭的开闭，实现释放口的开闭，实现管筒8输送过氧化氢的开闭，从而实现锥形头9的引导控制，用于控制纳米机器人是否驱动动作。
68.具体地，分子梭包括环部分、直线部分，直线部分从环部分穿过，且直线部分的两端具有阻挡基团；直线部分的一个阻挡基团位于管筒8的释放口内，另一个阻挡基团另一端设有催化反应腔，催化反应腔内装有atp燃料和已糖激酶。分子梭工作时：在紫外线照射下，atp燃料会结合和水解，于是会推动相应的阻挡基团，使得直线部分推动另一端的阻挡基团动作；当没有紫外线的情况下，已糖激酶会将atp的酶进行降解，于是直线部分又往回动作。
69.需要说明的是，为了让紫外线顺利照射，相应位置处设有透明材质。
70.可选地，一种精准治理污水的纳米机器人，对仿生本体1中部的驱动还进行了设计。
71.具体地，仿生本体1的中部设置处的外表面处设置有齿轮5，齿轮5每个齿的同顺时针侧/逆时针侧沉积有pt层。从仿生本体1的过氧化氢燃料释放时，使得水中也有过氧化氢燃料，当齿轮5上的pt层与过氧化氢接触时，过氧化氢被分解，于是实现齿轮5的转动。
72.可选地，一种精准治理污水的纳米机器人，对仿生本体1的尾部还进行了另一种设计，如图2所示。
73.具体地，仿生本体1的尾部装有聚二甲基硅氧烷，其尾部还连接有仿生尾。而在仿生本体1的尾部处，还设置有含有偶氮苯的表层，其将内部的聚二甲基硅氧烷封闭；仿生尾
处，具有pt层。
74.工作时，在紫外光的照射下，含有偶氮苯的表层打开，让聚二甲基硅氧烷释放，从而与仿生尾处的pt层进行催化反应，形成反冲击；在可见光照射下，含有偶氮苯的表层关闭。
75.可选地，一种精准治理污水的纳米机器人，对仿生本体1的尾部处进行了另一种设计，如图4和图5所示。
76.具体地，仿生本体1的尾部处装有氟碳乳液燃料，其尾部还连接有喷气结构；在超声波作用下，氟碳乳液燃料被汽化，从喷气结构中喷出，从而推动纳米机器人高速运动。
77.本实施例中，喷气结构包括多个尾管6，尾管6内嵌有磁层，通过磁场控制尾管6的摆动方向，控制纳米机器人前进的方向。
78.进一步地，尾管6呈dna螺旋状。
79.需要说明的是，上述体积的仿生本体1呈仿生鱼状。
80.需要说明的是，通过反应条件与运动速度的关系，能够对溶液中物质的含量、反应条件进行定量监测；并且运动速度降低时，在污染处停留时间长，能重复对污水进行处理，实现监测和治理的一体化。
81.例如，当存在重金属、农药等有毒物质时，过氧化氢的催化反应程度降低，从而导致运动速度慢，反应了水体中有毒物质的分布。
82.上述实施例仅表达了较为优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。