本发明属于细胞穿刺，具体涉及一种具备超长服役周期的直线旋转跨尺度精密穿刺仪。
背景技术：
1、细胞穿刺仪是一种用于精确刺入单个细胞以进行生物学实验的设备，广泛应用于细胞生物学、基因编辑、分子生物学、体外受精等领域。其主要功能是通过微型针头或探针穿透细胞膜，进行细胞核注射、遗传物质导入、药物递送等操作。早期的细胞穿刺主要依赖于显微镜下的手动操作，研究人员通过手动控制显微针刺入细胞。这种方式依赖操作者的经验和技巧，虽然能够完成基本的穿刺任务，但精度较低且易损伤细胞。由于细胞微小且脆弱，手动穿刺极易导致细胞膜破裂，影响实验结果的一致性。因此，这种手动穿刺方式的应用场景较为局限，适合少量样本和对技术要求不高的实验。
2、随着技术进步，机械驱动的穿刺设备逐步替代手动操作。这类穿刺仪通常配备微操控系统，通过精密电机或步进电机控制显微针的移动，实现更加稳定的穿刺操作。现代的机械穿刺仪可以利用微调机构来控制针头的位移，使其可以更准确地刺入目标细胞，同时减少对细胞的损伤。机械驱动穿刺仪极大提高了穿刺的成功率和实验的重复性，适合批量样本的实验操作。压电驱动穿刺技术是近年来的一项突破性进展。与传统的机械驱动相比，压电元件具有响应速度快、位移精度高等优势。该技术通过压电材料的形变控制穿刺针的位移，针尖的移动范围可以精确到纳米级别，从而显著提升穿刺的精度。这种技术尤其适用于需要极高精度的操作，如将dna、rna、蛋白质等分子物质引入单个细胞。压电驱动穿刺技术的应用不仅提高了细胞穿刺的成功率，还有效降低了细胞损伤率。
3、由于直驱式压电驱动器具备超长的使用寿命，因此目前压电驱动的穿刺仪通常为压电直驱驱动，然而直驱式压电驱动器形成首先通常只能实现微米级位移，这意味着需要额外的手动操作装置或电磁驱动装置进行长行程驱动，增加了系统的复杂性，而其他类型的压电驱动器，如压电惯性驱动、超声驱动和尺蠖驱动依赖于接触表面的摩擦力来实现运动，这种摩擦会导致关键组件的逐渐磨损，影响设备的精确性和寿命。在细胞穿刺领域需要穿刺仪器具备超长的服役周期和稳定性。因此上述几种类型的压电驱动器仍然没有商业化产品。摩擦磨损问题对于要求极高精度的应用来说是一个重大限制。如何设计具备超长服役周期跨尺度精密穿刺仪仍然是亟待解决的关键问题。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种具备超长服役周期的直线旋转跨尺度精密穿刺仪。
2、本发明采用的技术方案如下：
3、一方面，本发明提出了一种具备超长服役周期的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，包括底部单元和驱动单元，所述底部单元包括固定支架，固定支架上通过直线轴承滑动安装有滑杆，滑杆顶端通过连接柱固定有穿刺针，滑杆与穿刺针的方向同为第一方向；
4、所述驱动单元包括预压板、连接块、第一压电体、第二压电体和磁性摩擦足，连接块呈l形，两端内侧分别镶嵌固定第一压电体的一端和第二压电体的一端，两个压电体的另一端分别固定有链接磁体，磁性摩擦足吸附在两个链接磁体之间，所述压电体均随两端电压变化而伸缩形变；所述预压板固定有预紧磁体，所述预紧磁体对磁性摩擦足磁极相斥，用于通过斥力将磁性摩擦足向两个链接磁体压紧；所述预压板和连接块固定在固定支架上，磁性摩擦足与滑杆吸附接触；通过分别对两个压电体两端施加锯齿波电信号，使压电体伸缩形变，从而驱动磁性摩擦足运动，通过摩擦力带动滑杆运动，进而带动穿刺针沿第一方向直线运动或旋转。
5、另一方面，本发明还提出了一种基于上述直线旋转跨尺度精密穿刺仪的控制方法，包括：
6、若需要穿刺针沿第一方向直线运动，则向第二压电体两端施加锯齿波，当施加锯齿波的占空比在90%~100%时，穿刺针沿第一方向正向运动；当施加锯齿波的占空比在0%~10%时，穿刺针沿第一方向反向运动；
7、若要需要穿刺针旋转，则向第一压电体两端施加锯齿波，当施加锯齿波的占空比在90%~100%时，穿刺针正向旋转，当施加锯齿波的占空比在0%~10%时，穿刺针反向旋转。
8、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
9、本发明提出了一种具备超长服役周期的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，本发明提出的驱动器可以任意更换磁性摩擦足与预紧磁体以适配不同性能需求。驱动单元采用模块化设计，使驱动器拥有结构简单、强耐磨性、磨损自适应、模块化可更替、无需预紧防松的优势，具备实现耐久驱动的潜力。
10、直线旋转跨尺度精密穿刺仪当磁性摩擦足磨损后与铁磁性材料的滑杆会一直自适应保持较为恒定的稳定的摩擦力，同时旋转和直线自由度共用一个磁性摩擦足以及一个预紧磁体，简化了穿刺仪的结构；
11、本发明在细胞穿刺，微纳操作等精密科学仪器及医疗器械之中具备极大的应用前景。
1.一种具备超长服役周期的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，包括底部单元和驱动单元，所述底部单元包括固定支架，固定支架上通过直线轴承滑动安装有滑杆，滑杆顶端通过连接柱固定有穿刺针，滑杆与穿刺针的方向同为第一方向；
2.根据权利要求1所述的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，所述第二压电体的伸缩方向为第一方向，第一压电体的伸缩方向与第一方向垂直。
3.根据权利要求1所述的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，所述底部单元还包括下盖，所述穿刺仪还包括上盖，上盖与下盖用于配合封装所述固定支架和驱动单元。
4.根据权利要求3所述的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，所述上盖与下盖采用非铁磁性材料。
5.根据权利要求1所述的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，所述穿刺针中空，所述底部单元还包括导管，用于向穿刺针内部导入待注射的液体。
6.根据权利要求1所述的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，所述直线轴承设有两个，以增强滑杆沿第一方向运动的稳定性。
7.根据权利要求1所述的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，所述滑杆采用铁磁性材料；除滑杆、两个压电体、两个链接磁体、磁性摩擦足、预紧磁体以外，所述固定支架和驱动单元中的其他组件均采用非铁磁性材料。
8.根据权利要求1所述的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，所述链接磁体与压电体之间的固定方式为胶粘固定。
9.根据权利要求1所述的直线旋转跨尺度精密穿刺仪，其特征在于，所述预压板上设有u型镶嵌槽，所述预紧磁体嵌入u型镶嵌槽中并通过胶粘固定。
10.一种基于权利要求1所述直线旋转跨尺度精密穿刺仪的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
