微型機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

周文博，譚曉蘭，劉德祥，王月欽，班 翔

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院 北京 100144）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在生物、醫(yī)療、精細(xì)加工等領(lǐng)域，迫切需要人們開發(fā)一些工作對象是微小物體或其位姿微小改變的作業(yè)技術(shù)。這種作業(yè)技術(shù)就由微型機(jī)器人承擔(dān)，微型機(jī)器人作為微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的一個重要分支，以其魯棒性強(qiáng)、靈活度高、運動方式多樣等優(yōu)點受到了廣泛的關(guān)注[1]。

2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

微型機(jī)器人技術(shù)研究已成為國際上的一個熱點，這方面的研究不僅有強(qiáng)大的市場推動，而且有眾多研究機(jī)構(gòu)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(fā)展進(jìn)入工業(yè)狹窄空間微機(jī)器人。國內(nèi)在國家自然科學(xué)基金、863高技術(shù)研究發(fā)展計劃等的資助下，高等院校和科研院所針對微型機(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)。

微型移動機(jī)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(jī)器人根據(jù)其運動形式的不同可以分為爬行機(jī)器人、飛行機(jī)器人和水下機(jī)器人。微型移動機(jī)器人以其體積小、質(zhì)量輕、靈活度高、運動方式多樣等優(yōu)點在環(huán)境監(jiān)測、器件探傷、軍事等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

2.1 微型爬行機(jī)器人

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

美國加州大學(xué)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(qū)動的六足爬行機(jī)器人[2]，見圖1。該微型機(jī)器人長80 mm，寬50 mm，高15 mm，腿長22 mm，總質(zhì)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(jī)器人RoBeetle[3]，由甲醇的催化燃燒提供動力。

圖1 SMA驅(qū)動的六足爬行機(jī)器

微型爬行機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如圖2為智能膠囊微型機(jī)器人[4]，是集體內(nèi)窺視、診療為一體的醫(yī)療微型機(jī)器人系統(tǒng)。該研究對提高人類壽命與生活質(zhì)量，避免外部手術(shù)對人體造成創(chuàng)傷與致殘，具有重要的科學(xué)意義。

圖2 爬行攝像膠囊機(jī)器人

2.2 微型飛行機(jī)器人

微型飛行機(jī)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(jī)器人。此類機(jī)器人體積小、重量輕、運動靈活，且結(jié)構(gòu)簡單易于小型化。微型飛行機(jī)器人需要在低雷諾數(shù)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(qū)動的微型撲翼飛行器在2013年被美國哈佛大學(xué)的Ma等[5]人研制出來，見圖3。該飛行器模擬果蠅形態(tài)，使用高功率密度的壓電驅(qū)動器和高效制造方法制作，其翼展為3 cm，總質(zhì)量為80 mg，最佳驅(qū)動頻率為120 Hz，能夠產(chǎn)生1.3mN的升力。美國哈佛大學(xué)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(jìn)效率近似于與蜜蜂等大的昆蟲。該微型撲翼機(jī)器人翼展為3.5 cm，總質(zhì)量為259 mg，驅(qū)動電壓為193 V。這種飛行器是迄今為止實現(xiàn)持續(xù)無系留飛行最輕的飛行器。

圖3 仿果蠅微型撲翼機(jī)器人

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

圖4 電磁驅(qū)動的微型撲翼飛行器

2.3 微型水下機(jī)器人

微型水下機(jī)器人是以魚類等水下生物為原型設(shè)計的，可在水中移動、具有視覺和感知系統(tǒng)，又被稱為遙控潛水器，通過人機(jī)交互系統(tǒng)遙控或借助作業(yè)設(shè)備自主操作代替或輔助人類進(jìn)入水下開展作業(yè)任務(wù)的機(jī)器人，按照推進(jìn)方式可分為波浪形、側(cè)鰭式及尾鰭式。

EPFL的科研工作者開發(fā)出一種“間諜魚”——仿生微型機(jī)器人[8]，見圖5。該機(jī)器人能夠模仿魚類的行為并表現(xiàn)出相似的集體動態(tài)，能夠切實融入魚類群體開展作業(yè)，科學(xué)家將仿生機(jī)器魚潛藏在一組斑馬魚群中，近距離觀察研究魚群的反應(yīng)及交流方式。美國密歇根州立大學(xué)的Clark等[9]人研制出了一種SMA驅(qū)動的微型仿生機(jī)器魚。該機(jī)器魚的主體由液體橡膠鑄造，內(nèi)部包含用于轉(zhuǎn)向的電磁線圈、電源及控制模塊。此仿生機(jī)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(jī)器人專家羅伯特·謝菲爾德[10]和他的團(tuán)隊使用一種“人造血液”——電解液體來驅(qū)動的機(jī)器魚，見圖6，該機(jī)器魚用液體來驅(qū)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(shè)計可以讓仿生機(jī)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(xù)航時間。

圖6 “人造血液”機(jī)器魚

3 結(jié)論

從以上分析可知，微型機(jī)器人是微機(jī)械系統(tǒng)研究中的一個重要組成部分，有著廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。各國科研工作者都很重視對微型機(jī)器人的研究，在很多方面已經(jīng)取得了成果，但由于研究時間的局限和技術(shù)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(jī)器人相關(guān)的高新技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)微型機(jī)器人的發(fā)展。