مدل‌سازی رگرسیونی و تحلیل تجربی زمان بحرانی در فاز اول منیپولیشن سه‌بعدی با رویکرد شبیه‌سازی مبتنی بر طراحی آزمایش‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 گروه مهندسی صنایع، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

میکروسکوپ نیروی اتمی به عنوان یکی از ابزارهای اصلی در نانوفناوری، کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های زیستی، پزشکی و مهندسی مواد یافته است. با استفاده از AFM امکان بررسی دقیق خواص مکانیکی ساختارهای زیستی فراهم شده است. در این پژوهش، فرایند منیپولیشن نانوذرات زیستی در فاز آغازین حرکت با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) به‌صورت ترکیبی از تحلیل عددی و آزمایش تجربی بررسی شده است. هدف اصلی، مطالعه‌ی تأثیر پارامترهای هندسی تیرک و سوزن بر زمان بحرانی فاز اول و توسعه‌ی مدلی دقیق برای پیش‌بینی آن است. پارامترهای هندسی شامل ارتفاع، ضخامت، طول و عرض به همراه شعاع ذره به عنوان عوامل مؤثر در نظر گرفته شدند. مدل رگرسیونی مبتنی بر اثرگذاری پارامترها بر زمان بحرانی استخراج شده است. نتایج تحلیل آماری مدل پیشنهادی نشان داده است که مدل با ضریب تعیین 95.10% از دقت و اعتبار بالایی برخوردار است و با نتایج تجربی مطابقت کامل دارد. همچنین، با نمودارهای کانتور، رفتار سیستم در برابر تغییرات ترکیبی متغیرها مدل‌سازی شد. نتایج نشان داده است که افزایش ارتفاع سوزن و شعاع ذره باعث افزایش زمان بحرانی می‌شود. همچنین، نمودار تغییرات نیروی منیپولیشن نشان می‌دهد که نیروی کل وارد بر ذره تا زمان حدود ۶۰ میلی‌ثانیه به‌صورت پیوسته افزایش یافته و سپس به حالت پایدار می‌رسد. این نقطه از نظر زمانی با آستانه نیروی بحرانی تطابق داشته و صحت مدل‌ رگرسیونی را تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Regression Modeling and Experimental Analysis of Critical Time in the First Phase of Three-Dimensional Manipulation Using a Design-of-Experiments-Based Simulation Approach

نویسندگان [English]

  • Moein Taheri 1
  • Ehsan Mansouri 2
  • Fereshte Ghane 1
  • Zahra Sadat Eghdami 1
1 Department of Manufacturing Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran
2 Department of Industrial Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran
چکیده [English]

Atomic Force Microscopy (AFM) is one of the principal tools in nanotechnology, with extensive applications in biological, medical, and materials engineering fields. Using AFM enables precise investigation of mechanical properties of biological structures. In this study, the manipulation process of biological nanoparticles during the initial motion phase was investigated through a combination of numerical analysis and experimental testing using an (AFM). The main objective was to examine the effect of cantilever and tip geometric parameters on the critical time of the first phase and to develop an accurate predictive model. The geometric parameters including height, thickness, length, and width along with the particle radius were considered as influencing factors. A regression model was derived based on the effect of these parameters on critical time. Statistical analysis of the proposed model demonstrated a high level of accuracy and reliability, with a coefficient of determination (R²) of 95.10%, showing full agreement with the experimental results. Furthermore, contour plots were employed to model system behavior under combined variable variations. The results revealed that increasing tip height and particle radius leads to a longer critical time. Additionally, the variation diagram of the manipulation force indicated that the total force applied to the particle increases continuously up to approximately 60 milliseconds before reaching a steady state. This point corresponds to critical force threshold, confirming validity of the proposed regression model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Critical Time Modeling
  • Multivariate Regression Model
  • Three-dimensional Manipulation
  • Experimental Design
  • Atomic Force Microscope

مراجع

[1] G. Binnig, C.F. Quate, C. Gerber, Atomic force microscope, Physical review letters, 56(9) (1986) 930.
[2] D. Kirmizis, S. Logothetidis, Atomic force microscopy probing in the measurement of cell mechanics, International journal of nanomedicine, (5) (2010) 137–145.
[3] J. Zemła, J. Danilkiewicz, B. Orzechowska, J. Pabijan, S. Seweryn, M. Lekka, Atomic force microscopy as a tool for assessing the cellular elasticity and adhesiveness to identify cancer cells and tissues, in:  Seminars in cell & developmental biology, Elsevier, (2018) 115–124.
[4] M.J. Sharifi, A.R. Khoogar, M. Tajdari, Modeling forces between the probe of atomic microscope and the scanning surface, Neural Computing and Applications, 31(10) (2019) 6419–6428.
[5] J. Wood, R. Bright, D. Palms, D. Barker, K. Vasilev, Damage Behavior with Atomic Force Microscopy on Anti-Bacterial Nanostructure Arrays, Nanomaterials, 14(3) (2024) 253.
[6] O.D. Payton, L. Picco, T.B. Scott, High-speed atomic force microscopy for materials science, International Materials Reviews, 61(8) (2016) 473–494.
[7] Y. Shen, D.M. Czajkowsky, B. Li, J. Hu, Z. Shao, J. Sun, Atomic Force Microscopy: Mechanosensor and Mechanotransducer for Probing Biological System from Molecules to Tissues, Small, 21(2) (2025) 2408387.
[8] B. Guner, S. Laflamme, O.E. Dagdeviren, Customization of an atomic force microscope for multidimensional measurements under environmental conditions, Review of Scientific Instruments, 94(6) (2023).
[9] M.d.S. do Nascimento Amorim, A.l.R. Silva França, R. Santos-Oliveira, J. Rodrigues Sanches, T. Marinho Melo, B. Araújo Serra Pinto, L.R. Barbosa, L.M.R. Alencar, Atomic Force Microscopy Applied to the Study of Tauopathies, ACS Chemical Neuroscience, 15(4) (2024) 699–715.
[10] M. Taheri, M. Mirzaluo, Experimental Extraction of Young's Modulus of MCF-7 Breast Cancer Cell Using Spherical Contact Models, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 53(12) (2022) 5769–5784.(In persian)
[11] M. Taheri, Investigation of the effect of different friction models on experimental extraction of 3D nanomanipulation force and critical time of colon cancer tissue, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 54(4) (2022) 4.(In persian)
[12] Y. Feng, M. Li, Micropipette-assisted atomic force microscopy for single-cell 3D manipulations and nanomechanical measurements, Nanoscale, 15(32) (2023) 13346–13358.
[13] D.J. Müller, A.C. Dumitru, C. Lo Giudice, H.E. Gaub, P. Hinterdorfer, G. Hummer, J.J. De Yoreo, Y.F. Dufrêne, D. Alsteens, Atomic force microscopy-based force spectroscopy and multiparametric imaging of biomolecular and cellular systems, Chemical reviews, 121(19) (2020) 11701–11725.
[14] R. Xu, J. Guo, S. Mi, H. Wen, F. Pang, W. Ji, Z. Cheng, Advanced atomic force microscopies and their applications in two-dimensional materials: a review, Materials Futures, 1(3) (2022) 032302.
[15] P. Canepa, S.M.C. Rotondi, O. Cavalleri, Atomic force microscopy as a nanolithography tool to investigate the DNA/gold interface, Current Opinion in Electrochemistry, 44 (2024) 101444.
[16] D. Alsteens, H.E. Gaub, R. Newton, M. Pfreundschuh, C. Gerber, D.J. Müller, Atomic force microscopy-based characterization and design of biointerfaces, Nature Reviews Materials, 2(5) (2017) 1–16.
[17] M. Marchetti, G. Wuite, W. Roos, Atomic force microscopy observation and characterization of single virions and virus-like particles by nano-indentation, Current opinion in virology, 18 (2016) 82–88.
[18] K. Haase, A.E. Pelling, Investigating cell mechanics with atomic force microscopy, Journal of The Royal Society Interface, 12(104) (2015) 20140970.
[19] S.A. Sumaiya, J. Liu, M.Z. Baykara, True atomic-resolution surface imaging and manipulation under ambient conditions via conductive atomic force microscopy, ACS nano, 16(12) (2022) 20086–20093.
[20] D.C. Montgomery, Design and analysis of experiments, John wiley & sons, 2017.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 57، شماره 7
مهر 1404
صفحه 869-888

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار