高精密锥量仪

成果名称高精密半导体激光系统的研制单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度&radic 研发阶段 □原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：在新一代高精度卫星全球定位系统中，星载原子钟、新一代原子干涉仪、新一代重力测量仪等精密测量设备都迫切需要频率稳定度高、对参考谱线具有自动识别功能的高精密外腔半导体激光器。此外，发展具有我国自主知识产权的高精密半导体激光技术，使我国摆脱此类高端激光依赖进口的被动局面，将为我国新一代的高精度卫星全球定位系统、环境检测技术和生物检测技术等高新技术的发展打下坚实的基础。北京大学信息科学与技术学院陈徐宗教授申请的&ldquo 高精密半导体激光系统的研制&rdquo 项目，以研制具有国际先进水平的高精度可调谐半导体激光器和高精度倍频激光器为目标，瞄准该课题中的关键技术，着力解决高精度可调谐外腔半导体激光器的光栅反馈的稳定性、宽连续可调谐范围、中心波长范围等核心问题。 2009年，该项目获得了北京大学&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金资助。在基金的资助下，通过关键器件的购置和实验材料的加工，课题组开展了一系列富有成效的工作，包括：外腔半导体激光头的研制、精密电源与高精密频率控制器的研制、精密光谱监测系统的研制、激光倍频光学系统的研制、倍频腔稳频电路的设计和精密控温器的研制等，实现了激光自动锁频、连续稳频、迁谱线智能识别等创新功能。在未来的工作中，课题组将进一步提升该系统的稳定性和可靠性，优化相关工艺设计，推动高精密半导体激光技术的发展与产业化。应用前景：在新一代高精度卫星全球定位系统中，星载原子钟、新一代原子干涉仪、新一代重力测量仪等精密测量设备都迫切需要频率稳定度高、对参考谱线具有自动识别功能的高精密外腔半导体激光器。

近期，中国科学院沈阳自动化研究所智能检测与装备研究室IDE团队在国家重点研发计划项目的支持下，经过艰苦攻关，创新性提出了高负载大可变量程的大型圆柱度测量新方法，并依此方法研发了大型圆柱度测量仪。　　圆柱度是精密回转类零件重要的精度指标之一。目前，圆柱度测量仪大多通过接触式传感器获取被测目标信息，采用精密转台回转的方式实现测量，如英国Talyrond公司研制的最大测量直径达1.6米的1600型圆柱度测量仪。接触式传感器的可形变量极小，在圆柱度测前定心调整过程中，大偏心距累积的运动定位误差极易超出传感器的极限行程而造成传感器损坏。受被测对象的尺寸、重量及高精密转台的制造技术等因素的影响，过大的载荷将严重影响精密轴系的回转精度，所产生的随机误差难以通过算法有效补偿，无法满足大型工件的高精度测量需求。对于直径超过2米的大型轴承套圈，由于零件尺寸巨大、圆柱度测量精度要求高以及测量环境的局限性，现有的接触式传感器与转台回转的测量方式难以满足其测量要求。因此，亟需研究针对大型回转类零件圆柱度的现场快速精密测量方法及相应的评定技术。　　沈阳自动化所智能检测与装备研究室IDE团队提出的高负载大可变量程的大型圆柱度测量新方法采用具有精密、隔震等特性的气浮驱动技术，配合精密耦件，通过测前快速自适应偏置调整技术实现工件测前自动定心，采用精密测头回转的方式快速获取有效测量信息。在测量原理方面，提出了更完善的圆柱度测量模型及误差分离算法，测前定心与实际测量采用分立的运动控制系统，既解决了大型工件的载荷问题，又能够通过模型参数拟合的方式实现偏心、测量线偏置、被测圆柱轴倾斜等误差的精准分离；测量系统采用对称式双测头测量方案，综合了非接触式位移传感器安全、柔性的特点与接触式位移传感器精密、可靠的特性。本方法的提出突破了传统测量方法在大型圆柱度测量过程中的局限性，实现了大型回转类零件圆柱度测前自适应偏置调整和现场快速精密测量。大型零件圆柱度测量仪样机　　目前，该研发团队已完成大型圆柱度测量仪原理样机的研发工作，并在《光学精密工程》《中国激光》等高质量期刊发表相关论文2篇，申请发明专利4项。经过国家权威计量专家及天津计量院的检定，大型圆柱度测量仪样机的回转精度为42.6nm，Z向导轨精度139nm/100mm，最大测量直径为2500mm，且其测量范围可根据使用需求进一步拓展。这意味着该原理样机的核心技术指标已达到国内领先、国际先进水平。本项目的实施将进一步夯实我国大型轴承及以大型轴承为核心基础部件的高端装备的制造技术基础，填补直径大于2米的大型轴承圆柱度测量仪的国内空白，掌握大型圆柱度测量仪的核心技术，提高轴承及相关行业的自主创新能力，为我国高铁、风电和高档数控机床等高端装备制造业的进一步发展提供保障能力，对我国从制造大国迈向制造强国，具有重要的现实意义和巨大的社会经济效益。

行业背景一直以来，我们常用的临床医疗给药方式有口服药剂、注射针剂、外用涂抹等。不同的给药方式会各有优劣。口服药剂服用方便，需要首先通过肠胃吸收，这样药效会有所降低，并且对肝脏等器官产生较强的副作用；注射针剂存在使用不便、产生疼痛、制备成本高、过程复杂等特点。外用涂抹膏药因为皮肤的隔离，药物的吸收效率低，并且给日常生活行动带来不便。临床上一般不同的药物有效成分会根据自身的理化性质、药理学等因素而采用不同的给药医疗方式。随着科技的发展，研究人员逐步开发了一种新型的医疗给药方式——微针透皮给药，它既能实现有效给药，又操作简单并且让患者获得良好体验。上世纪90年代，世界上第一个微针是用硅材料制备而成的。由于硅材料具有脆性，且不适合作为模具来大批量复制，因此近年来微针的制备材料研究的重点逐步转移到金属、陶瓷以及聚合物材料。目前微针透皮给药已经在药物治疗、美容祛斑、整形植发等消费市场领域获得应用推广，并且市场上已经出现一批规模化量产的公司，中国的微针市场给药系统产品主要是国外品牌，医疗方面的以欧美国家居多，美容方面以日韩品牌为主。国际上有3M、Zosano Pharma、Corium、Becton-Dickinson（BD）等；国内有中科微针（北京）、揽微医疗、纳通生物、和心诺泰等。加工方法由于表皮厚度高达1500μm，因此针长度达1500μm足以将药物释放到表皮中。长度较大且直径较粗的针可深入真皮层，容易损伤神经并引起疼痛。微针长度大多数150-1500μm，直径50~250μm，尖端宽度为1~25μm。微针常见的形状是圆锥形、圆柱形、三棱锥、四棱锥等。微针根据种类不同（固体型，包被型，中空型、溶解型等）以及材料的需求，制作的工艺也不一样，硅材料常见加工方法有硅蚀刻；金属材料常见的加工方法激光切割；陶瓷材料加工方法陶瓷烧结光刻。而聚合物材料常用的加工方法是微立体光刻3D打印技术。近些年来3D打印技术获得快速发展，相对于传统加工工艺，3D打印技术能够灵活、自由的设计各种复杂三维的结构。目前市场上普通3D打印技术（SLA、FDM等）加工的精度低，表面粗糙，远远满足不了微针加工技术要求。而双光子激光直写（TPP）3D打印技术，虽然加工的精度高，但是加工幅面小、速度极慢，对于大幅面、规模化生产显然不太适宜。面投影微立体光刻（PμsL）3D打印工艺能够加工并兼顾快速、高精度、大幅面的特点，可以满足上述微针尺寸要求，并且加工出来的微针表面光滑程度高，为微创、无痛的微针治疗效果提供技术支持，也为快速、高效产业化生产提供可行性方案。目前，已经和国内多所科研高校、相关企业进行合作。面投影微立体光刻（PμsL）工艺助力微针的制备面投影微立体光刻（PμsL）基于数字DMD（Digital Micromirror Device）芯片作为动态掩模，通过精密的光路投影系统，在树脂液面进行整面曝光打印。因此，与普通的微立体光固化工艺相比，除了成型精度高以外，打印的速度得到大大提升。由于微针需要具有良好的力学性能和生物相容性才能满足其应用的安全性要求，所以微针的选材、结构设计及其相应的制备技术直接关系到微针的效能。一般而言，微针的表面越光滑，微针才能更好的发挥安全、无痛以及定量释放的优势。下图是深圳摩方材料科技有限公司基于面投影微立体光刻（PμsL）工艺的3D打印系统nanoArchS130设备加工的阵列微针结构，该微针底部直径0.198mm，高度0.572mm，针尖的最尖端宽度仅0.006mm！加工的微针表面光滑，针尖细节更加明晰。该微针打印材料属于丙烯酸聚合物类固体型微针，通常研究人员使用该聚合物打印出针尖形态阳模，通过二次倒模形成实际需要的医用聚合物材料针尖结构，比如形成溶解型微针。最近，国外研究机构美国罗格斯大学Howon Lee和意大利比萨大学Giuseppe Barillaro合作团队从寄生虫的微钩，蜜蜂的尾刺针，豪猪的针毛研究发现一种具有高组织粘附力的微观倒刺结构。这些复杂的微观结构对于传统加工工艺而言是一种巨大的挑战。研究人员通过4D打印技术制造具有后向曲面倒钩以增强组织附着力的仿生微针。通过系列实验测试发现该种倒刺结构的仿生微针的组织附着力是普通微针的18倍！在组织中具有持续、定量释放药物的行为。文章链接地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201909197结论尽管目前微针在药物治疗、美容祛斑、整形植发等获得广泛应用，并且衍生一批产业化公司。但是微针治疗市场竞争较为混乱、竞争格局并不明晰、技术水平良莠不齐。我们经常会在一些公共场所见到微针治疗的相关广告。未来随着微加工技术的发展和相关的药理学研究的进展，微针治疗会获得广泛的认可，市场规模扩大、市场竞争更加规范。而高精密3D打印作为一种具有复杂三维、灵活自由、快速设计的微细加工技术，目前已经被众多前沿的科研机构以及知名规模化企业所采用，进一步深化课题研究程度，提高了企业的创新性及生产效益。