微型機器人的研究現狀

周文博，譚曉蘭，劉德祥，王月欽，班 翔

（北方工業大學機械與材料工程學院 北京 100144）

1 引言

隨著科學技術的發展，在生物、醫療、精細加工等領域，迫切需要人們開發一些工作對象是微小物體或其位姿微小改變的作業技術。這種作業技術就由微型機器人承擔，微型機器人作為微機電系統（MEMS）的一個重要分支，以其魯棒性強、靈活度高、運動方式多樣等優點受到了廣泛的關注[1]。

2 研究現狀與發展趨勢

微型機器人技術研究已成為國際上的一個熱點，這方面的研究不僅有強大的市場推動，而且有眾多研究機構的參與。以日本為代表的許多國家在這方面開展了大量研究，重點是發展進入工業狹窄空間微機器人。國內在國家自然科學基金、863高技術研究發展計劃等的資助下，高等院校和科研院所針對微型機器人和微操作系統進行了大量研究，并分別研制了原理樣機。

微型移動機器人多以自然界中運動迅捷高效的生物為原型，模仿昆蟲及小型動物的外形及運動方式。微型移動機器人根據其運動形式的不同可以分為爬行機器人、飛行機器人和水下機器人。微型移動機器人以其體積小、質量輕、靈活度高、運動方式多樣等優點在環境監測、器件探傷、軍事等領域受到廣泛關注。

2.1 微型爬行機器人

微型爬行機器人是最常見的移動機器人之一，多以蜘蛛、蟑螂、蛇等爬行動物為原型設計的。微型爬行機器人越障能力強，且環境適應性也較強，能夠在復雜崎嶇的非規則地形中靈活運動。此類機器人能夠完成災后搜索、物品運輸、管道檢查等工作，具有廣闊的應用前景。

美國加州大學伯克利分校的研究者們提出一種采用SCM工藝制作，由形狀記憶合金驅動的六足爬行機器人[2]，見圖1。該微型機器人長80 mm，寬50 mm，高15 mm，腿長22 mm，總質量為6 g。研究者們制造出一個88 mg昆蟲大小的自主爬行機器人RoBeetle[3]，由甲醇的催化燃燒提供動力。

圖1 SMA驅動的六足爬行機器

微型爬行機器人在醫療領域也有著廣泛的應用，如圖2為智能膠囊微型機器人[4]，是集體內窺視、診療為一體的醫療微型機器人系統。該研究對提高人類壽命與生活質量，避免外部手術對人體造成創傷與致殘，具有重要的科學意義。

圖2 爬行攝像膠囊機器人

2.2 微型飛行機器人

微型飛行機器人也稱為MAV，按照其飛行模式可分為：固定翼、旋翼及撲翼飛行機器人。此類機器人體積小、重量輕、運動靈活，且結構簡單易于小型化。微型飛行機器人需要在低雷諾數下飛行，這一點跟鳥類和昆蟲的飛行是一樣的。

一種仿果蠅壓電驅動的微型撲翼飛行器在2013年被美國哈佛大學的Ma等[5]人研制出來，見圖3。該飛行器模擬果蠅形態，使用高功率密度的壓電驅動器和高效制造方法制作，其翼展為3 cm，總質量為80 mg，最佳驅動頻率為120 Hz，能夠產生1.3mN的升力。美國哈佛大學的Jafferis等[6]人在2019年研制出了一種帶有光電源及控制電路的微型飛行器，該飛行器消耗功率為110～120 MW，推進效率近似于與蜜蜂等大的昆蟲。該微型撲翼機器人翼展為3.5 cm，總質量為259 mg，驅動電壓為193 V。這種飛行器是迄今為止實現持續無系留飛行最輕的飛行器。

圖3 仿果蠅微型撲翼機器人

中國上海交通大學的研究者在2016年研制出了一種電磁驅動的仿昆蟲微型撲翼微飛行器[7]，見圖4。該微型撲翼機器人是能夠升空的最小電磁驅動的撲翼機器人，其翼展為3.5 cm，總質量為80 mg，最佳驅動頻率為80 Hz，驅動電壓為1.1 V，功耗為1.2 W。

圖4 電磁驅動的微型撲翼飛行器

2.3 微型水下機器人

微型水下機器人是以魚類等水下生物為原型設計的，可在水中移動、具有視覺和感知系統，又被稱為遙控潛水器，通過人機交互系統遙控或借助作業設備自主操作代替或輔助人類進入水下開展作業任務的機器人，按照推進方式可分為波浪形、側鰭式及尾鰭式。

EPFL的科研工作者開發出一種“間諜魚”——仿生微型機器人[8]，見圖5。該機器人能夠模仿魚類的行為并表現出相似的集體動態，能夠切實融入魚類群體開展作業，科學家將仿生機器魚潛藏在一組斑馬魚群中，近距離觀察研究魚群的反應及交流方式。美國密歇根州立大學的Clark等[9]人研制出了一種SMA驅動的微型仿生機器魚。該機器魚的主體由液體橡膠鑄造，內部包含用于轉向的電磁線圈、電源及控制模塊。此仿生機器魚身長為10 cm，最大平均游速為0.019 BL/s，功耗為20 MW。

圖5 間諜魚

著名機器人專家羅伯特·謝菲爾德[10]和他的團隊使用一種“人造血液”——電解液體來驅動的機器魚，見圖6，該機器魚用液體來驅動使其更輕，運動更自由，它具有靠流動來儲存能量和魚鰭在水中運動的雙重功能。這種設計可以讓仿生機器人盡可能多地儲存能量在一個極小的空間，以增加足夠長的續航時間。

圖6 “人造血液”機器魚

3 結論

從以上分析可知，微型機器人是微機械系統研究中的一個重要組成部分，有著廣闊的開發和應用前景。各國科研工作者都很重視對微型機器人的研究，在很多方面已經取得了成果，但由于研究時間的局限和技術突破上的困難，眾多的研究尚處于實驗室階段，MEMS及其他與機器人相關的高新技術的發展促進微型機器人的發展。