استفاده از روش کنترل غیر خطی مود لغزشی جهت مدلسازی فرآیند نانومنیپولیشن با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای برق کنترل

2 گروه کنترل، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

3 استادیار، گروه کنترل، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

10.61186/masm.2026.2073922.1171
چکیده
پیشرفت‌های اخیر در نانوفناوری نیاز به روش‌های دقیق و پایدار برای منیپولیشن ذرات زیستی و غیرزیستی را پررنگ کرده است. در این میان، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) به دلیل قابلیت بالای آن در ایجاد تماس کنترل‌شده و ثبت جابه‌جایی‌های بسیار کوچک، یکی از ابزارهای کلیدی محسوب می‌شود. با این حال، پایداری تماس میان نوک سوزن و ذره و جلوگیری از لغزش‌های ناخواسته، به‌ویژه در برخورد با هندسه‌های پیچیده، همچنان یک چالش مهم است. در این پژوهش، یک چارچوب مدل‌سازی دینامیکی همراه با کنترل مبتنی بر مود لغزشی برای بهبود عملکرد AFM در فرآیند منیپولیشن ارائه شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان داده است که کنترل‌کننده طراحی‌شده قادر است موقعیت و زاویه سوزن را با دقت بالا پایدار نگه دارد. بررسی سه هندسه ذره شامل کروی، استوانه‌ای و استوانه پخ‌خورده آشکار ساخت که میزان لغزش با پیچیده‌تر شدن سطح افزایش می‌یابد؛ به‌گونه‌ای که ذرات کروی کمترین لغزش (۳.۴٪) و ذرات استوانه پخ‌خورده بیشترین لغزش (۴.۸٪) را ایجاد کردند. همچنین مقایسه سه نوع تیرک نشان داد که تیرک V-شکل با لغزش ۲.۱٪ و کاهش قابل توجه نوسانات زاویه‌ای بهترین عملکرد را داشته است. یافته‌ها نشان می‌دهد که ترکیب مدل‌سازی دقیق و کنترل مبتنی بر مود لغزشی می‌تواند راهکاری مؤثر برای توسعه سیستم‌های AFM و گسترش کاربرد آن در حوزه‌های زیستی و مهندسی بافت باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Using Sliding Mode Nonlinear Control Method to Model Nanomanipulation Process using Atomic Force Microscope

نویسندگان English

zohreh moradi 1
Mohsen Shafieirad 2
Alireza Faraji 3
1 PhD student Department of Electrical and Computer Engineering
2 Assistant Professor, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran
3 Assistant Professor, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده English

Recent advances in nanotechnology have highlighted the need for precise and stable methods for manipulating both biological and non-biological particles. Among the available tools, atomic force microscopy (AFM) is considered a key instrument due to its high capability for controlled contact and measurement of extremely small displacements. However, maintaining stable contact between the probe tip and the particle and preventing undesired slippage, especially when dealing with complex geometries, remains a significant challenge. In this study, a dynamic modeling framework combined with sliding mode control (SMC) was proposed to enhance AFM performance during particle manipulation. Simulation results demonstrated that the designed controller could maintain the probe’s position and angle with high accuracy. Examination of three particle geometries—spherical, cylindrical, and chamfered cylindrical—revealed that slippage increased with surface complexity, with spherical particles exhibiting the least sliding (3.4%) and chamfered cylindrical particles the most (4.8%). Furthermore, a comparison of three cantilever types showed that the V-shaped cantilever achieved the best performance, with only 2.1% sliding and a significant reduction in angular fluctuations.These findings indicate that combining accurate dynamic modeling with sliding mode control provides an effective approach for developing advanced AFM systems and expanding their applications in biological studies and tissue engineering.

کلیدواژه‌ها English

Sliding Mode
Nonlinear Control Method
Nanomanipulation
Atomic Force Microscope

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 09 بهمن 1404

  • تاریخ دریافت 19 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری 18 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 09 بهمن 1404