Distributed optimization for multi-object manipulation by shaping spatial force fields

Abstract

Tato práce se zabývá třemi tématy souvisejícími se zpětnovazební manipulací prostřednictvím tvarování silových polí: měřením polohy, modelováním silového pole a inverzí modelu síly prostřednictvím distribuovaného optimalizace. První dvě témata jsou věnována specificky dielektroforetickému silovému poli. Poslední téma je věnováno obecnějším silovým polím. V této práci je představen a otestován nový senzor pro měření 3D poloh mikro objektů. Senzor měří polohy v reálném čase a s dostatečnou přesností pro zpětnovazební řízení. Dále je navržen a experimenty ověřen zjednodušený model dielektroforetické síly. Na rozdíl od jiných dostupných modelů je navržený model reprezentován výrazem, který lze vyhodnotit v reálném čase, což činí tento model vhodným pro zpětnovazební řízení. Tato práce také navrhuje distribuovaný optimalizační algoritmus založený na ADMM pro řešení problému nalezení elektrických potenciálů takových, že jsou vyvinuty požadované dielektroforetické síly v určitých bodech manipulačního prostoru. To se nazývá inverze modelu, protože dielektroforetický model vytváří síly na základě potenciálů, ne naopak. Stejný distribuovaný algoritmus lze aplikovat i při manipulaci jinými fyzikálními silovými poli. V práci je tento algoritmus testován na manipulaci pomocí dielektroforézy, magnetoforézy a akustoforézy. Nakonec je představena nová kompaktní platforma pro manipulaci pomocí dielektroforézy. Platforma kombinuje navržený senzor polohy, model dielektroforézy a inverzi modelu založenou na optimalizaci. Kromě toho platforma poskytuje také možnost pozorování manipulovaných objektů založenou na bez-objektivové digitální holografii.This thesis addresses three topics related to feedback manipulation through shaping force fields: position measurement, modeling of force fields, and force model inversion through distributed optimization. The first two topics focus specifically on dielectrophoresis. The third topic covers manipulation using more general force fields. The thesis presents a new sensor for measuring the 3D positions of micro-objects in real time with sufficient accuracy for feedback control. It also introduces a control-oriented model of dielectrophoretic force that can be evaluated in real time and thus is suitable for feedback control. This model is verified through experiments. The thesis proposes a distributed optimization algorithm based on ADMM for finding electric potentials that produce a desired dielectrophoretic force field, a process called model inversion. The distributed algorithm can be applied to manipulation using other physical force fields and is tested on dielectrophoresis, magnetophoresis, and acoustophoresis. Additionally, the thesis presents a compact dielectrophoretic manipulation platform that incorporates the proposed position sensor, dielectrophoretic model, and optimization-based model inversion, as well as the capability to observe manipulated objects using lensless digital holography.