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德克萨斯大学阿灵顿分校
  • 提供配置文件
  • ARRI的大部分研究都围绕着智能微型机器展开，这些机器可以模拟人类的功能，如感知、认知、运动、交流以及与环境、人类以及彼此之间的互动。

    智能微机器本质上是由传感器、执行器、处理器和流体、光学或射频电路集成而成的异构微尺度系统。它们可以嵌入到智能材料中，可能是在柔性衬底上，或包装成离散的独立设备，或联网到具有能量收集、通信和/或自诊断功能的集成系统中。我们计划的关键要素包括关注压电材料和医疗微型设备的应用。

产品组合

  • 机器人的生活

  • 概述
    新一代机器人正在开发中，以更紧密地模仿人类和动物的功能，如面部表情、顺从和高级机动性。

    方法
    目标是开发可商业化的娱乐系统、医疗模拟器、在制造环境中与人类合作组装，以及在非结构化和恶劣环境中部署传感器。

    成就
    我们的方法的一个关键因素是为不同类型的人造组织开发新材料。这些材料是“智能”的，因为它们包括嵌入式传感器、执行器和微流体。它们可用于增强人形和仿生机器人以及机器人团队的性能。

      • Quickskin™

      • Quickskin™:将压电单晶和多纤维复合材料嵌入硅胶弹性体中。该样品皮肤通过每牛顿施加的力几伏的电压来响应弯曲、折叠和冲孔。

      • MAYA仿真界面

      • 利用MAYA仿真界面对机器人进行运动学和动力学分析，生成复杂的运动序列。

      • Quickskin™补丁

      • 安装在CRS-A465 6-DOF机械臂上的Quickskin™贴片允许操作员直接推动机械臂来移动机械臂。

      • ROBOVIE-M2 / M3

      • ROBOVIE-M2/M3是具有20多个自由度的双足机器人，配备了ppm控制的rc伺服系统、加速度计和板载CPU。它能够投掷物体，出拳，翻筋斗，倒立，跑步，侧身，踢足球!

  • 离散设备:医疗微型设备

  • 摘要目的:
    微型低成本微型设备的研究和开发，包括传感器和执行器，用于针对植入物的医疗应用，体内和体外诊断以及手术器械。

    方法:
    • 批量制造和制造过程，以确保成本效益和小型化。
    • 应用和面向问题的方法，以满足医疗应用中的需求。
    • 针对整个系统解决医疗问题，解决患者的需求和手术/治疗程序。
    • 系统配置包括遥测、微泵、化学传感器、物理传感器、电极、光学审问、磁审问、光纤、MEMS传感器和执行器、微型机器人和控制机构。

    成就:

    • 活体近红外光纤扫描探针用于脑组织成像，动脉成像，皮肤癌早期检测，主动内窥镜和视网膜脱离和视网膜分裂诊断。
    • 用于胃食管反流病监测的微型阻抗和pH传感器的演示。
    • 用于植入的柔性基板上传感器的演示。
    • 安全植入式药物输送系统的微包装和演示。
    • 无线化学和物理传感器的演示。应用包括预防婴儿猝死综合征(SIDS)和老年人/病人家庭护理。
    • 神经刺激综合疼痛管理的示范。
    • 用于伤口愈合的综合绷带的设计和演示

    • 活体成像探针。

    • 可植入柔性基板上的GERD传感器。

    • N综合疼痛管理系统。

  • 离散器件:压电致动器

  • 摘要目的:
    设计和制造高位移和高力驱动器的应用，包括振动抑制，形状变形，分布式驱动，能量收集和健康监测。

    方法:

    • 金属陶瓷复合驱动器。
    • 低轮廓陶瓷纤维复合材料。
    • 压电马达。

    成就:

    • 设计、分析和制作了具有高位移和低频阻塞力的“压电弓”式驱动器。该结构由一个压电棒组成，沿着长度与金属帽连接到棒的两个主要表面，由钢块包围。
    • 在频率低于2 kHz的范围内，在3.3 V/mm的电场作用下获得了8 mm的线性位移。驱动器尺寸为7x7x30 mm³，应力为30 MPa。
    • 目前，研究人员正在进行实验，以设计和制备具有高阻挡力的压电陶瓷纤维基复合材料。这样的驱动器将立即找到

    • ZT纤维复合层压板。

    • PZT纤维复合材料层压图。

    • Piezo-bow致动器。

  • 离散器件:压电变压器

  • 摘要目的:
    使用压电变压器的微型手机电池充电器，以及集成的笔记本/笔记本电脑电源适配器。

    方法:
    • 带有驱动电路/充电系统的压电变压器在减少笨重的电磁变压器、提高能源效率和降低单位成本方面具有巨大潜力。
    • 展示巨大的功率密度，在40 W/cm³的顺序。
    • 96%-98%的效率范围无需散热器。
    • 提供真正的电源隔离和消除杂散磁。

    成就:

    • 研制、表征和实现了一种具有单向极化、工作在宽频率范围内、通过反向电连接同时提供升压和降压电压的多层压电电压电源变压器。
    • 为上述设计建立了完整的等效电路模型和有限元模型，并对实验结果进行了验证。

      • 压电变压器的原型。

  • 离散装置:能量收集

  • 摘要目的:
    自供电传感器网络，专注于工业健康监测，飞机结构健康监测，边界安全网络和边境入侵监测。目标是达到2mW/cm²的功率密度。

    方法:





    成就:
    建造几个原型来收集振动和风能。下面的图片显示了压电风车和振动发生器的原型。我们目前的工作包括能量收集芯片的设计，由包含多种类型的能量捕获技术的3D层组成。





    一个多能量输入的原型，3D收割机正在进行中。

    • 为无人值守传感器供电的小型风车。

    • 微型振动能量收割机的设计与原型设计。

  • 分立设备:微型泵

      • 摘要目的:
        用于药物输送的低成本可植入装置，流速在纳米和微升每分钟范围内。

        方法:

        平面微型泵

        • DRIE微机械平面内移动膜片结构。平面内结构可以产生小的泵送量，用于精确的流量控制。制造过程只需要一个掩模来制造阀门、泵腔、执行器和通道。
        • 热或压电驱动。
        • 冲程放大机制，增加压缩比。
        • 扩散器和喷嘴结构，以直接流动。
        • 模压聚苯乙烯管绝缘流动从移动隔膜。
        • 使用模具连接的流控和电互连与流控板兼容。

        出平面微型泵

        • PZT平面外移动隔膜集成PDMS泵送室如下所示。
        • 设计简单，无阀结构。
        • 制造成本低。
        • 低功耗运行。
        • 流速大。

        应用程序:
        用于治疗糖尿病、疼痛或化疗的植入式药物输送系统。准确、及时、局部地在靠近肿瘤部位给药，提高肿瘤治疗效果，减少对患者全身的危害。

        成就:

        • 实验室原型运行并完全定型。
        • 应用于化疗的体内给药。

    • 平面内硅微泵的设计。

    • DRIE加工硅微泵结构。

    • 二甲苯管放置在抽气室。

  • 分立器件:微光谱仪

      • 摘要目的:
        微型傅里叶变换光谱仪(FTS)的研制，该光谱仪可用于生物和化学材料的手持式、实时和现场检测机制。

        方法:

        • 采用硅微加工与微装配相结合的方法，在硅微光学平台上集成异构三维光学系统。
        • 通过热驱动长行程级实现高分辨率光谱仪。
        • 微光学元件的精确定位和对准。



        成就:

        • 通过在SOI硅晶片上组装微镜、球透镜和分束器，实现了微型化FTS。
        • 扫描镜机构静态和动态响应的表征。
        • 初步实验结果表明，利用He-Ne激光源和设计的冲程放大，在632nm处有谱峰，FWHM为25nm，可见波长谱分辨率<10nm。

    • 小型化FTIR光谱仪。

    • 用硅支架组装的微球。

    • 组装显微分光计。

  • 分立器件:氮氧化物微传感器

  • 摘要目的:
    电容式，高选择性氮氧化物传感器的开发和集成在化学健康监测系统。

    方法:

    • 指间电极检测电容变化。
    • 沉积有机聚合物薄膜，对目标气体有很高的选择性。
    • 采用嵌入式电子封装，以提高灵敏度和SN比。

    成就:

    • 微加工电极阵列及线粘封装。
    • 配备ppb级气体混合和流量控制系统的气体传感器测试基础设施。

    • 制造和封装传感器电极。

    • 基于电容测量的检测原理。

    • 化学测试用实验传感器板。

  • 分立器件:磁电传感器

  • 摘要目的:
    开发高灵敏度磁电纳米复合材料，用于发电、磁场传感器、异常检测器、微波滤波器和谐振器、射频信号发生器、电压互感器和高频开关等领域。

    方法:
    为了分析铁磁-铁电复合材料的磁弹性耦合，实验了各种结构。



    成就:
    我们在开发高灵敏度材料方面取得了独特的成功，并将其应用于上述几种应用中。下面是灵敏度的比较图表。


      • 磁电变压器设计和建造在ARRI。

  • 分布式设备:移动传感器网络

  • 摘要目的:
    开发使用移动传感器网络(MWSN)进行广域监视和侦察的算法和原型车。我们的分布式智能和自主实验室(DIAL)演示了使用大量移动传感器节点对陆地、水和空气进行监测。

    方法:

    • 使用异构机器人平台(包括廉价的ARRI-Bots)部署大量传感器。
    • 使用势场(PF)方法来实现受通信带宽、能量和导航/碰撞影响的机动性。
    • 使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)进行信息收集、定位和导航。
    • 使用离散事件控制器(DEC)进行资源分配和任务规划。
    • 数据记录和监控使用Labview管理和可视化传感器网络。
    • 平台独立算法:陆地，空中，水下。
    • 自适应采样(AS):高效、信息驱动的传感器部署。

    部署算法类型:

    • 通信感知部署由存在网络通信约束的动态传感器重新定位组成。
    • 信息感知部署包括移动传感器的最佳位置，以收集最多的信息。
    • 任务感知部署，包括完成共同任务的资源协调。
    • 能源感知部署包括节能和收集能源，以实现传感器网络的可持续性。

    • 合作测绘和定位。

    • 描述

    • 分布式场的多传感器融合。

    • 描述

    • 无拘束的水下网络。

    • 描述

      • DIAL的陆基移动机器人舰队

      • 由携带无线传感器的廉价移动机器人组成，用于研究部署算法。

      • 利用势场实现带宽最大化:

      • 势场用于重新定位传感器节点，以最大限度地提高网络带宽。

      • 自适应采样(AS)

      • 目的是重建一个分布式传感器场
        通过多次测量。

      • 作为

      • 比传统的光栅扫描采样更有效。

  • 柔性衬底:嵌入式微器件

  • 摘要目的:
    生物兼容聚合物材料的制作与嵌入式执行器和传感器。

    方法:

    • 高分子衬底选用高应变弹性体材料。
    • 压电纤维复合材料驱动器嵌入在弹性体中。
    • 微型传感器和流体元件排列在弹性体基体中。
    • 集成微电子，数字信号处理器和无线通信。

    成就:
    下图显示了嵌入传感器和执行器后硅胶基弹性体和相同材料的多孔结构。微压电作动器不影响弹性体基体的柔性。

    • 柔性衬底中的微流体。

    • Quickskin™是UTA专利的压力敏感机器人皮肤。

  • 机器人装配:微型机器人

  • 摘要目的:
    异构微纳系统的高效精密装配。在高装配产量，该技术是一个可行的替代单片制造。MEMS微型机器人也是一种可行的自上而下的纳米制造途径。

    方法:
    基于以下两方面的方法:
    • 用于MEMS毫米到微米部件尺寸和纳米公差的介微米-微纳米组装平台。该平台使用晶圆上的微型机器人。
    • 使用这些微型机器人构建的微纳米组装系统。

    MEMS夹具和紧固件由各种材料制成，用于组装厘米大小的复杂MEMS，如上图所示的微型光谱仪模具。

    成就:

    • 微夹持器，用于MOEMS装配的无源和主动微扣件技术。
    • 成功组装异质MEMS和MOEMS:干涉仪，光谱仪，安全臂设备，光纤阵列，光纤互连，PIN二极管，和许多其他。
    • 可可靠地自动处理尺寸低至数十微米和亚微米特征尺寸的部件。
    • 静电和热MEMS的建模和运动控制。
    • 通过开环或闭环控制，MEMS器件性能显著提高。MEMS输入整形和闭环控制，应用于VOA、MEMS开关等光学和RF-MEMS。

  • 机器人装配:多尺度和模块化机器人

  • 摘要目的:
    开发一个系统的方法来设计自动化机器，使组装和包装的小规模系统。这些多尺度机器人在从宏观到纳米的各个尺度上运行，它们的设计是由一套层次精确原则指导的。他们的目标是通过使用可重构和模块化的硬件和软件，小批量试生产传感器、执行器和其他异构微设备。

      • 包装S&A微器件，

      • 在ARRI使用M³通过自动化、异构微组装制造。

  • 机器人装配:主动表面

      • 概述:
        多个微部件的并行操作，通过提供夹持、排序和对准功能，提高微装配的吞吐量。

        方法:
        • 气动压力源通过微米级喷嘴阵列或超声波振动产生力场。
        • 单独控制喷嘴压力的翻译，旋转和翻转的部分。
        • 分布式操作算法，以扩大大规模并行操作。



        采用气动力场的主动表面装置。

        成就:

        • 原型主动表面装置使用气动力场操纵部件小到1mm²。
        • 压电驱动与气动力场相结合。运动分辨率为微米级。
        • 同时平移，旋转，翻转多个部分。
      • 采用气动力场和压电驱动的主动表面装置。

  • 微包装:3D包装

  • 概述:
    开发紧凑可靠的微器件封装新方法，从而实现异构和多功能集成。

    方法:

    • 电子、MEMS、光学和流体的晶圆和芯片级堆叠和互连。
    • 堆栈之间的垂直互连，包括电气、流体和光学连接。
    • 组件的多功能集成使模块化体系结构成为可能。



    同时BCB晶圆键合和三维互连形成。

    成就:

    • 使用BCB进行微流控封装的晶圆键合。
    • 采用无焊剂焊接的模具堆叠。
    • 使用BCB和SnAu微凸点同时连接和互连。
    • 微型设备的包装，如植入式药物输送系统和S&A设备。

      • 光学三维剖面仪图像的reflying电气互连。
    • 带微流控通道的图案硅片
      • Laurier Die Bonder在德克萨斯州Microfactory™用于形成3D互连。

  • 微包装:可靠性

  • 概述:
    我们正在进行一系列微电子和MEMS器件的可靠性研究。主要研究为可靠性、密封包装和无铅焊料的表征的微系统设计。

    目前项目:
    • 电子设备用无铅焊料分析。
    • MOEMS和微流体器件的剪切/拉伸/振动测试。
    • 密封包装用无焊剂焊接的可靠性。

      • 标题

      • 铜衬垫钎料球与铜锡金属间层。

  • 微包装:微流体

  • 概述:
    模块化微流控电路和互连，用于生命科学、化学、生物ems和片上实验室设备的多用途应用。

    方法:

    • 低成本柔性基材采用聚合物成型。
    • 嵌入式微型阀门测量流体体积，直接流量和序列离散流量控制。
    • 通过在平台基板上组装模块化组件而实现的可重构电路结构。

    成就:

    • 使用PDMS模压适配器的流体互连。
    • 气动压力控制微型阀门。
    • 使用流控门控制离散体积流体。
    • 模块化微流控平台设计、制造与集成。
    • 一种组装的柔性微流体电路
    • 层流混合器y型通道
    • 微流体的DMS适配器。

  • 制造:飞秒激光加工

      • ARRI的制造能力包括spectrum Physics的飓风飞秒Ti:蓝宝石激光器，用于小部件的微加工。这种快速原型系统可以在短短20到30分钟内生产零件，是美国学术界和工业界为数不多的用于机械加工和制造的系统之一。

        半导体、信息技术、生物技术和医药领域的革命性进步导致对更好、更快的微加工技术的需求增加。在这方面，基于激光的微加工由于其与传统微加工工艺相比的众多优势而获得了广泛的认可。

  • 制作:PiezoMEMS

  • 概述:
    • 利用MEMS技术开发压电器件，并将其应用于传感器、执行器和发电机。
    • 开发与柔性基底兼容的压电材料和沉积工艺。
    • ARRI MEMS软件设计和仿真工具包括Intellisuite的压电MEMS库。



    压电MEMS微悬臂梁截面

    方法:

    • 溶胶-凝胶法沉积BaTiO3和Pb(Zr,Ti)O3薄膜。
    • 新颖的光刻和蚀刻技术，以实现复杂结构。
    • 异质材料在同一基材上的结合。



    制备BT薄膜的工艺流程。

  • 运行状况监视:预测和诊断

  • 摘要目的:
    • 为工程机械、航空航天和车辆系统开发智能自动化诊断和预测的改进方法
    • 为基于无线传感器网络的计算机辅助状态维护(CBM)和预测与健康管理(PHM)提供统一且严格的框架

  • 控制:智能非线性控制

  • 概述:
    为航空航天、机器人、无人驾驶车辆、汽车系统、微设备、计算硬盘驱动器和其他变得越来越复杂的现代高性能系统开发改进的控制系统。在响应速度和运动精度方面，对这些系统的性能要求越来越严格。

    方法:
    • 使用基于神经网络、决策和语言模糊逻辑的生物启发控制系统结构，以避免对精确系统描述的需要，避免完整的内部状态测量，并处理不完整的扰动知识。
    • 具有学习特征的数字控制系统结构的形式化推导，用于计算机微控制器系统的实现。
    • 反馈线性化，允许控制具有高频灵活模式的系统，如车辆悬架振动、燃料晃动、坦克炮管振动、飞机颤振、计算机磁盘驱动器振荡和风振。神经网络允许学习未知的影响。
    • 动态反演与神经网络学习特征，有效补偿执行器死区，不确定性和干扰。
    • 确定控制系统结构的非线性Lyapunov证明可拓方法和神经网络学习方案，保证智能控制器在存在不确定性和扰动时的闭环性能。
    • 通过实时学习技术更新控制系统参数的高级性能批评方法。
    • 利用神经网络学习未知动态的反演方法。这允许有效控制耦合系统与更多的自由度比控制输入使用系统结构性质。
    • 自适应模糊逻辑方法，允许动态聚焦控制器意识的区域，需要更多的性能活动。
    • 执行器前馈补偿控制器，结合神经网络或模糊逻辑组件来抵消未知间隙、死区和摩擦的影响。
    • 利用神经网络逼近器解非线性控制器设计方程的近最优控制设计。
    • 开发鲁棒输出反馈学习控制器，在减少系统状态测量信息的情况下有效运行。
      成就:
    • 新的学习控制系统已经开发出来，在计算机上进行模拟，并在国防部、车辆和工业平台上实现。这些系统极大地改善了现代高性能系统的性能和控制。
    • MEMS光开关高性能非线性控制系统的研制。

  • 控制:离散事件控制

  • 摘要目的:
    • 为基于事件的系统开发改进的监控系统，包括制造工作单元、无线传感器网络、战场指挥和通信以及动态资源分配。
    • 为任务规划、任务排序和实时资源分配提供严格和精简的框架，允许性能分析、计算机模拟和验证，并在实际任务/资源系统上快速实施有效的监督控制器。

    方法:

    • 基于矩阵的离散事件控制器的高效设计、计算机仿真和实现。
    • 矩阵图形用户界面，便于任务编程和资源分配。
    • 将Steward任务排序矩阵和资源需求矩阵合并到一个严格的数学框架中，以计算要执行的下一个作业并动态分配所需的资源。
    • 事件测量、传感器读数、可用资源和离散事件系统中完成的任务，以及使用简化的反馈控制器结构所需的下一个活动的正式计算。
    • 分析确定阻塞现象的发生，如死锁和吞吐量延迟，并计算阻塞回避策略。
    • 我们的矩阵反馈控制器与标准工具如Petri网和Max-Plus代数的关系，这些工具较难在实际系统上实现，但具有良好的理论基础。
    • 在LabVIEW中实现图形用户界面，便于设计离散事件系统，包括任务规划、任务排序和资源池分配。
    • 一个更高级别的外循环，用于优先级任务分配、服务质量和用户选择的调度。
    • 通过互联网远程编程制造工作单元和无线传感器网络。

    成就:

    • 提出了一种新的离散事件监控矩阵框架，包括任务分配和动态资源分配。
    • 矩阵框架允许开发一种新的监控控制器，允许快速设计、任务规划、计算机模拟和实际实施。
    • 已获得美国专利。
    • 出版了一本关于离散事件控制的书和许多科学论文。
    • 美国国家科学基金会(NSF)拨款，用于与墨西哥大学在互联网上使用新控制器编程机器人工作单元。
    • 收到两份陆军研究办公室合同，一份用于离散事件控制研究，一份用于为ARRI的无线传感器网络实验室购买设备。
    • 使用我们的方法，现在部署和编程无线传感器网络就像编程PC一样容易。
    • 开发了一种无线传感器网络，用于机房状态维护，包括设备监控、故障诊断和健康预测。
    • 在ARRI的机器人制造工作单元上实现我们的DE控制器。
    • 我们的DE控制器在无线传感器网络上的实现，用于ARRI的环境监测和区域安全。
    • 与欧洲和中国领先的研究人员和机构进行国际合作
    • 发展ARRI外展计划，包括本地高中教师发展，以及本地优秀学生的暑期计划
    • 1994年成立了当地达拉斯/沃斯堡IEEE控制系统协会分会