进入21世纪以来,生物医学技术得到了长足的发展,显微切割作为推动生物医学发展的关键技术,也呈现出多样性。超声振动显微切割作为一种经济、高效、无污染的显微切割技术,逐渐成为研究的热门。但是,现有的超声振动显微切割装置存在诸多不足,如针尖横向振动较大,轴向振动不足,过大的横向振动会降低切割精度,并对切割组织造成损伤,而轴向振动不足会使得切割性能下降,限制了切割仪的使用范围。针对上述问题,本文提出了一种新型的超声振动显微切割装置,采用柔性机构与聚能器相结合的方式,改变传统切割仪避开谐振区的工作模式,使其工作在特定的轴向谐振模态下,这种方式不仅能够放大轴向位移,还能避开其他有害模态对针尖稳定性的影响,兼顾了切割精度的同时,提高了切割性能,实现了高精度、高效率、低损伤的显微切割实验目标。本课题的主要研究内容如下:第一,对当前国内外显微切割技术进行研究,分析各技术的优势与不足,指出当前超声振动显微切割装置存在横向振动过大,切割能力不足的问题,提出了提高切割精度与切割性能的设计目标。第二,对超声振动显微切割机理进行研究,简述了超声波的生物学效应以及超声振动切割所利用的超声原理。从能量学与运动学角度对超声振动显微切割过程进行分析,探究振动幅值与驱动频率对于切割性能的影响,为显微切割选择合适的驱动参数提供参考。对切割仪的振动特性进行研究,分析切割仪的挠度与谐振模态对针尖振动稳定性的影响,得出影响针尖振动稳定性的因素,为显微切割仪的设计提供方向。第三,将柔性机构与聚能器相结合,使切割仪工作在特定的轴向谐振模态下,提出一种新型的基于柔性机构减振与超声聚能器变幅的结构设计方案。首先对切割针进行动力学分析,得到切割针的轴向谐振频率,以此为工作频率对切割仪进行设计,分析不同聚能器的性能与显微切割操作平台的实际要求,选择阶梯型聚能器进行设计。然后对柔性机构进行设计分析,利用遗传算法对柔性机构的尺寸参数进行优化,并对优化结果进行有限元仿真对比,最终得到了显微切割仪的初步设计方案。第四,为了解决复杂结构带来的模态集中与频率偏移问题,对切割进行模态优化。利用Ansys Workbench仿真软件对切割仪进行模态分析,研究各个设计参数对于切割仪谐振模态的影响,对仿真结果进行分析,用于指导切割仪的尺寸优化,最终达到频率修正与模态分离目的。随后,对优化后的切割仪进行谐响应分析,得到所设计切割仪的理论性能表现。最后,将本文所设计的新型切割仪与传统结构切割仪进行仿真对比,仿真结果显示,新型切割仪无论在轴向振动还是横向振动上均具有更好的表现。第五,对设计的切割仪进行加工与装配,随后进行性能测试。通过阻抗分析得到切割仪的实际工作频率。通过显微视觉与激光测振对切割仪振动幅值进行测量,并与传统结构切割仪对比,测试结果与仿真结论一致。基于前期的研究基础,搭建显微切割实验平台,分别对生物组织切片与卵母细胞进行显微切割实验,得益于新装置更好的性能表现,使其在不同厚度、不同部位的组织切片上均取得了良好的实验效果,并且解决了传统切割仪由于切割能力不足而无法对卵母细胞进行穿刺的难题,实验结果显示,新型切割仪具有较高的切割精度与切割性能,满足了高精度,低损伤的显微切割实验要求。