國外微厘米級微型機器人發展綜述

中國船舶集團有限公司第七一四研究所 馬曉晨 方 楠 張 旭

微型機器人具有體積小、質量輕、推重比大、靈活度高等優點，按照尺寸可分為兩類：第一類是納米至微米尺寸的機器人，一般由外力驅動，主要用于生物醫療等領域；第二類是微米至厘米尺寸的機器人，這類機器人尺寸稍大，可搭載通信、控制、監測等負載，能按照預編程的路線點前進，并在人工監督下完成任務。本文僅研究微厘米級微型機器人，其可用于空中或地面，能夠完成類似昆蟲的爬行、滑動、滾動、跳躍或飛行等動作，可躲避障礙，投擲、舉起、拉動物體，并爬上斜坡，尤其適合在中大型機器人和無人平臺難以部署的環境中工作，例如，大規模分布式隱秘監測網絡構建、狹窄縫隙環境偵察、精密制造過程監控、基礎設施檢查、火星表面探索、設備維護等。2018 年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）啟動“短程獨立微型機器人平臺”（SHRIMP）項目，以研發微米至毫米尺寸、重數克、不系繩的微型機器人。

微型機器人的關鍵技術主要包括致動方案、供能力方案、微型傳感器等。此外，與宏觀尺寸的機器人相比，微型機器人需更注重黏性力、表面力、摩擦力等作用，而不是重力、浮力、慣性力等。

一、致動技術

微型機器人由于體積過小，一般無法使用氣動、電動機等驅動方案，需要采用新型致動器。目前，國內外微型機器人采用的新型致動器材料包括壓電陶瓷、微型電動機、形狀記憶合金、形狀記憶聚合物等。

（一）壓電陶瓷

鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷是目前應用于微型機器人上最廣泛的致動器材料。壓電陶瓷能隨電壓變化改變形狀，分辨率高、無需消耗能量維持狀態，但致動自由度較少，存在磁滯等非線性現象，影響開環控制精度。

美國哈佛大學研發出多型壓電陶瓷驅動、系繩供電的微型機器人，包括RoboBee 飛行機器人、HAMR系列四足機器人、MilliDelta 振動機器人。

RoboBee 機器人最早于2013 年研發，最初只能進行簡單起降，2016 年能夠?？吭诖怪眽γ?，2017 年實現水空兩棲。水空兩棲RoboBee 機器人自重175mg，具有4 組平衡臂和浮子以確保漂浮的穩定性（見圖1），中央氣室內插入電解板，當機器人接近水面時，電解板將水分解成氫氣和氧氣，輔助機器人克服約為自身質量10 倍的表面張力以浮出水面。電火花點燃氫氧混合氣體后，機器人被推離水面，并配合平衡臂拍動，實現空中飛行。機器人在水下時機翼的拍動頻率為9～13Hz，在空氣中可增加到220～300Hz。

圖1 RoboBee機器人

HAMR 微型機器人的驅動電壓為200V，原為四足運動，可奔跑和爬行，如圖2 所示。2018 年4 月，哈佛大學為其增加射頻通信功能（HAMR-F），同年12 月，又研發出電黏附攀爬型機器人（HAMR-E）。HAMR 微型機器人長4.5cm，仿照昆蟲的足式設計，通過微控制器和電子設備獨立控制8 個壓電致動器，并裝備慣性測量單元提供直線運動反饋。射頻通信型HAMR-F 機器人重2.8g，運動速度可達17.2cm/s；電黏附攀爬型HAMR-E 機器人重1.48g，可通過電黏附作用在導電的仰表面和立表面攀爬，速度分別為1.2mm/s 和4.6mm/s，水平速度為140mm/s。

圖2 第六代HAMR微型機器人

MiliDelta 振動機器人由哈佛大學和韓國亞洲大學于2018 年聯合研發。機器人采用印刷電路微機電系統制造技術制造，尺寸為15mm×15mm×20mm，總重430mg，有效載荷為1.31g，由基板、雙節連桿和頂板3 處獨立控制的壓電致動器驅動，可以75Hz 的頻率高精度完成制造和醫藥等領域的微操作，如圖3 所示。

圖3 MiliDelta機器人

此外，美國密歇根大學于2017 年研制出一種尺寸為5mm×2mm 的六足微型薄膜機器人，同樣采用了鋯鈦酸鉛壓電薄膜致動器，并以聚一氯代對二甲苯（Parylene C）改善壓電薄膜的脆性，如圖4 所示。機器人的足部、髖部和膝部均裝有致動器，可通過交替致動驅動機器人運動。激勵電壓為10～20V，機器人足部的最大擺動幅度為50～100μm。未來可裝備電源或采用無線充電方式供電。

圖4 密歇根大學研制的六足微型薄膜機器人

壓電致動器的控制可采用開環方式調節電壓，還可通過運動捕獲系統、蜂鳴式運動檢測器、壓電材料自感應等方式實現閉合控制。2018 年，哈佛大學提出了一種使用壓電材料自感應反饋控制壓電致動器的方法。這種方法依據致動器運動在壓電材料表面產生的應力及引發的電流，實現致動器速度的反饋控制。在25～200V 致動電壓和1～2000Hz 振幅下，該方法對致動器速度的控制精度達10%，并在RoboBee 和HAMR機器人中進行了驗證。

（二）微型電動機

尺寸稍大的微型機器人可采用微型馬達驅動。典型案例是美國加州大學伯克利分校的VelociRoACH 仿蟑螂機器人。機器人體長7.5cm，高4.5cm，重53.6g。由于尺寸較大，VelociRoACH 仿蟑螂機器人采用電動機驅動，由300mA·h 的鋰聚合物電池供電。2017 年，研究人員為機器人加裝了尾巴，其可在不同粗糙度表面完成快速翻滾，加裝尾巴后重77.5g，如圖5 所示。

圖5 有尾巴的VelociRoACH仿蟑螂機器人

此外，韓國韓巴大學還研發出類似電動機的電磁致動器，參考無刷直流電機設計，利用交流電輸入下永磁體和電磁體間的相對振蕩實現驅動，如圖6 所示。電磁致動器驅動微型機器人的尺寸為20mm×11mm×9mm，重3g，最大移動速度為0.79 體長/s。其中，電磁致動器的尺寸為10mm×11mm×9mm。

圖6 韓巴大學研制的微型機器人

（三）形狀記憶合金

形狀記憶合金是具有一定形狀的固體材料（通常是熱彈性馬氏體相變材料），可在電流、溫度、磁場、應力等的刺激下改變形狀。例如，在高溫下預定型，冷卻再加熱后會變成預定型的形狀。目前最典型的形狀記憶合金是NiTi 合金，這種合金的強度高、塑性大、耐腐蝕、成本低，應用最為廣泛。此外，還包括CuZnAl 等銅基和鐵基合金。形狀記憶合金的彎曲變形能力較強，但線性變形能力較差（約8%），可制成線形的“人造肌肉”驅動器。

2017 年，日本大學利用NiTi 合金（日本TOKI 公司BMX50 人造肌肉線）構建了線形致動器，研制出尺寸為3.5mm×6.0mm×5.1mm 的四足MEMS 微型機器人，如圖7 所示。致動器采用電驅動，腿部為四連桿機構，可將致動器的線性運動轉為步態運動。2019 年，中國科學院北京納米能源與系統研究所研制出仿水黽微型機器人，全長約14cm（主體長度5.5cm、厚2mm），質量約為1.65g，使用NiTi 合金致動器，自供電電壓為1.38V，移動速度為1.45cm/s，如圖8 所示。機器人以涂有TiO2超疏水涂層的鎂銅合金線為支腿，可產生浮力，同時與3%的NaCl 水溶液反應發電實現自供能。

圖7 日本大學研制的四足MEMS微型機器人

圖8 中國科學院研制的仿水黽微型機器人

（四）形狀記憶聚合物

形狀記憶聚合物的致動原理與形狀記憶合金類似，這種預定型高分子材料在熱、電、光、化學感應等的刺激下可恢復初始形狀。形狀記憶聚合物包括聚苯乙烯、聚酰亞胺、聚氯乙烯等高分子材料及其纖維、顆粒增強材料，目前用作微型機器人致動器的材料主要是液晶彈性體、介電彈性體、水凝膠等。形狀記憶聚合物一般易加工、成本較低，但致動力低于形狀記憶合金。

介電彈性體由夾在兩個柔性電極之間的彈性體組成，當施加電壓時，發生電荷分離，并在膜上引起靜電壓力，引起彈性體變形。介電彈性體能產生較大的應力，斷裂韌性和功率質量比與天然肌肉相近。介電彈性體驅動器能實現模塊化制造，通過多種模塊配置構建不同功能的機器人。但與壓電致動器相比，介電彈性體的驅動電壓過高、比功低，可通過改進材料、降低接觸電阻等途徑進行優化。2019 年，哈佛大學研制出介電彈性體薄膜驅動的微型飛行機器人，如圖9所示。介電彈性體由Ecoflex 0030 和Sylgard 184 的混合物構成，單個致動器的功率密度為600W/kg，驅動電壓為800～1300V，可驅動160mg 的雙翅飛行機器人，升力約為1.8mN，90ms 內可上升1.5cm。

液晶彈性體是液晶單體通過化學鍵合作用構成的低交聯密度聚合物網絡，如丙烯酸酯基液晶彈性體等，能在加熱、光照、電場、磁場、pH 值變化時，利用內部液晶相變可逆來改變形狀，實現彎曲、收縮、扭轉和旋轉等多種動作。2016 年，波蘭華沙大學利用液晶彈性體薄膜，研制出長14.8mm、寬3.8mm 的仿毛毛蟲微型機器人，其可被外部熱刺激或光吸收產生的熱效應驅動，平均速度為0.1～0.5mm/s。2017 年，芬蘭坦佩雷工業大學利用液晶彈性體研制出長8～13mm、寬2mm 的仿毛毛蟲微型機器人，能在低強度均勻可見光（150mW/cm2）引起的各向異性熱膨脹驅動下蠕動爬行，如圖10 所示。

圖9 哈佛大學研制的微型飛行機器人

圖10 坦佩雷工業大學（左）和華沙大學（右）研制的仿毛毛蟲微型機器人

水凝膠可隨溫度變化發生溶脹，實現尺寸的可逆變化，通過改變組織含水量可實現彎曲或扭曲，如聚(N-異丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）等。水凝膠材料存在的問題是體積變化各相同性，可結合無機納米顆粒等其他材料實現復雜變形。

二、供能方案

微型機器人的供能方案一般包括自供能和外部供能兩種。

自供能方案包括鋅空氣電池、鋰離子電池、摩擦納米發電、接觸式電化學發電等。從電源類型來看，目前DARPA 最為看好的是比功最高的鋅空氣一次電池。2019 年，在DARPA 的SHRIMP 項目資助下，美國賓夕法尼亞大學采用多層電沉積的微機電系統（MEMS）加工方法，將鋅空氣電池與原位雙極鎳集流器、電沉積多孔金正極相結合，研發出高壓鋅空氣電池。單電池的輸出電壓為1.3V，容量為2.26mA·h，比能達到1720W·h/L，比功為760W/L。

外部供能方案一般包括光驅動、熱驅動、磁場驅動、振動場驅動等。其中，變化的磁場和振動場在自然環境中一般不存在，需人工部署，不適用于偵察用微型機器人?？捎糜趥刹焯綔y的光驅動微型機器人一般需使用均勻、靜止的光場，無需時間或空間調制，能夠自發運動，甚至能與環境互動。熱驅動微型機器人則可以采用電驅動或光驅動的供能方案。

三、集成傳感器

微型機器人受尺寸限制，一般使用嵌入式、集成式傳感器，也可采用兼做致動器和傳感器的材料。其常用的傳感器包括液態金屬應變傳感器、發光二極管（LED）-光敏電阻位移傳感器、壓阻應變傳感器、摩擦電觸覺傳感器、電磁速度傳感器、電容應變傳感器等。不同致動及供能方式的微型機器人見表1。

表1 不同致動及供能方式的微型機器人

四、結 語

微型機器人的靈活性高、隱蔽性強，可用于縫隙等微環境偵察、精密加工過程監測等，擴展了傳統中大型機器人的應用范圍?，F有最成熟的非系繩微型機器人方案是采用壓電陶瓷或微型電動機致動、鋅空氣電池或鋰離子電池供電。

目前，微型機器人存在的主要問題包括兩方面：一是多數機器人仍采用系繩或外部驅動，為提高實用性，仍需進一步研發和集成高比能電源；二是需研發形狀記憶合金、形狀記憶聚合物等智能材料的可編程控制方法，以實現對微型機器人動作的控制。

隨著高比能電源、微加工工藝、智能材料、集成一體化傳感器等的發展，未來有望構建自主或遙控的微型機器人集群、柔性智能響應微型機器人等，通過分散式、大規模部署，構建新的監視傳感網絡。