機(jī)器人技術(shù)是一門快速發(fā)展的高新技術(shù)，在許多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，并對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生著日益重大的影響。微型機(jī)器人（Micro-Robotics）是指集成了微型作業(yè)工具、各種微小型傳感器，具有通用編程能力的小型移動(dòng)機(jī)構(gòu)，而微機(jī)電系統(tǒng)和微驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)和發(fā)展為微型機(jī)器人的誕生提供基礎(chǔ)。

誕生背景

       微型機(jī)器人出現(xiàn)是和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展是分不開(kāi)的，可以說(shuō)微型機(jī)器人就是可編程通用的微型機(jī)電系統(tǒng)工程。20世紀(jì)80年代后期，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等學(xué)科的交叉融合促進(jìn)了MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展。

和微機(jī)電系統(tǒng)一樣，微型機(jī)器人的發(fā)展和微驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展也是緊密相關(guān)的。1987年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校取得一項(xiàng)轟動(dòng)的突破性成就，首.次研制出了轉(zhuǎn)子直徑為60~120μm的微型靜電動(dòng)機(jī)，隨后MIT也研制出了100μm的靜電動(dòng)機(jī)。

發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái), 采用MEMS 技術(shù)的微型衛(wèi)星、微型飛行器和進(jìn)入狹窄空間的微機(jī)器人展示了誘人的應(yīng)用前景和軍民兩用的戰(zhàn)略意義。以日本(三菱電子公司、松下東京研究所和Sumitomo電子公司等)為代表的許多國(guó)家在這方面開(kāi)展了大量研究，重點(diǎn)發(fā)展進(jìn)入工業(yè)狹窄空間微機(jī)器人、進(jìn)入人體狹窄空間醫(yī)療微系統(tǒng)和微型工廠。

在國(guó)家自然科學(xué)基金、863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等的資助下, 清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)等科研院所針對(duì)微型機(jī)器人和微操作系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，并分別研制了原理樣機(jī)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)微型機(jī)器人的研究主要集中在三個(gè)領(lǐng)域：面向煤氣、化工、發(fā)電設(shè)備細(xì)小管道探測(cè)的微型機(jī)器人；針對(duì)人體、進(jìn)入腸道的無(wú)創(chuàng)診療微型機(jī)器人；面向復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)非拆卸檢修的微型機(jī)器人。

發(fā)展瓶頸

微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸微小，器件精密，可進(jìn)行微細(xì)操作，具有小慣性、快速響應(yīng)、高諧振頻率、高附加值等特點(diǎn)。然而微型機(jī)器人并不是簡(jiǎn)單意義上普通機(jī)器人的微小化，而是集成有傳感、控制、執(zhí)行和能量的單元，是機(jī)械、電子、材料、控制、計(jì)算機(jī)和生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)的交叉融合。而且建立微型機(jī)器人需要更為微小的驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器、傳感器、處理器等，由此展開(kāi)的對(duì)微型機(jī)器人微部件的加工和研制，將有利于實(shí)現(xiàn)更高意義上的微系統(tǒng)集成。然而，傳統(tǒng)的加工工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了這些微小部件加工需求，因此研究人員將目光逐步轉(zhuǎn)移到近些年來(lái)非?；馃岬脑霾闹圃旃に?。增材制造又稱3D打印技術(shù)，它摒棄了傳統(tǒng)加工工藝過(guò)程復(fù)雜、成本高、難度大等特點(diǎn)，能夠快速、靈活設(shè)計(jì)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而高精密微納3D打印技術(shù)又成為微型機(jī)器人*的手段。

3D打印技術(shù)在微型機(jī)器人的應(yīng)用

2019年4月，多倫多大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室在《Science Robotics》刊登了一篇關(guān)于3D打印微型機(jī)器人的文章。研究人員將磁性元素釹的顆粒嵌入到柔性材料中，并通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)二十多種不同形狀的磁性機(jī)器人結(jié)構(gòu)。研究人員使用一對(duì)強(qiáng)力的磁鐵來(lái)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人特定部位釹的極性，使它們?cè)诖艌?chǎng)中發(fā)生排斥和吸引作用，并通過(guò)紫外線照射將這些磁性粒子鎖定在相應(yīng)的位置。通過(guò)特定的編程程序，控制微型機(jī)器人不同部位的極性，使其達(dá)到爬行、蠕動(dòng)、翻滾、收縮等運(yùn)動(dòng)效果。

現(xiàn)階段，微型機(jī)器人大多還處于實(shí)驗(yàn)室或原型開(kāi)發(fā)階段，因此，現(xiàn)在所見(jiàn)到的微型機(jī)器人較為簡(jiǎn)單，但同時(shí)也能執(zhí)行一些基本的操作指令，離實(shí)用化還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離。未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)各種復(fù)雜三維的微型機(jī)器人，并且能夠在各種復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)。這同時(shí)亟需一種更為精密微細(xì)的加工工藝。下圖是深圳摩方材料科技有限公司利用陶瓷3D打印機(jī)加工的微型齒輪，最小細(xì)節(jié)0.092mm。

( BMF microArch S240陶瓷3D打印機(jī)加工的微型齒輪，最小細(xì)節(jié)可達(dá)0.092mm )

一般而言，微型機(jī)器人整體尺寸不超過(guò)100mm，細(xì)節(jié)尺寸可以達(dá)到微米甚至納米級(jí)別，這就對(duì)加工精度和自由度提出*要求。傳統(tǒng)的CNC加工工藝成本昂貴，靈活度低，一般適合大零部件的加工。而MEMS加工工藝過(guò)程復(fù)雜，垂直方向加工受限，適合二維加工。而3D打印技術(shù)，作為當(dāng)前發(fā)展非常迅速的制造工藝，具有低成本、高效率、一體化加工成型的特點(diǎn)。雖然一直以來(lái)材料是3D打印技術(shù)難點(diǎn)之一，研究人員逐步開(kāi)發(fā)一些功能性材料，比如摻雜磁性粉末顆粒增強(qiáng)磁性。并且也可以通過(guò)后期表面處理來(lái)彌補(bǔ)材料方面的不足，比如表面金屬化、濺射鍍膜、翻模等工藝。

目前，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度3D打印的工藝屈.指.可.數(shù)，其中面投影微立體光刻（PμSL）工藝是其中之一。該工藝以深圳摩方材料科技有限公司為代表，已經(jīng)研發(fā)出多款型號(hào)機(jī)型，并且實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，為國(guó)內(nèi)外多個(gè)大型公司提供高精密加工方案。下圖是該公司10um精度設(shè)備nanoArch S140通過(guò)在高強(qiáng)度韌性樹(shù)脂中摻雜磁性粉末顆粒（質(zhì)量比20%）加工的磁性抓手以及磁性彈簧陣列結(jié)構(gòu)。

( 磁性抓手，最小壁厚可達(dá)0.070mm )

( 磁性彈簧陣列，最小線徑可達(dá)0.099mm )

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