中國船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所 馬曉晨 方 楠 張 旭

微型機(jī)器人具有體積小、質(zhì)量輕、推重比大、靈活度高等優(yōu)點，按照尺寸可分為兩類：第一類是納米至微米尺寸的機(jī)器人，一般由外力驅(qū)動，主要用于生物醫(yī)療等領(lǐng)域；第二類是微米至厘米尺寸的機(jī)器人，這類機(jī)器人尺寸稍大，可搭載通信、控制、監(jiān)測等負(fù)載，能按照預(yù)編程的路線點前進(jìn)，并在人工監(jiān)督下完成任務(wù)。本文僅研究微厘米級微型機(jī)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(jī)器人和無人平臺難以部署的環(huán)境中工作，例如，大規(guī)模分布式隱秘監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、狹窄縫隙環(huán)境偵察、精密制造過程監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施檢查、火星表面探索、設(shè)備維護(hù)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(jī)器人平臺”（SHRIMP）項目，以研發(fā)微米至毫米尺寸、重數(shù)克、不系繩的微型機(jī)器人。

微型機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)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(jī)器人相比，微型機(jī)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(shù)

微型機(jī)器人由于體積過小，一般無法使用氣動、電動機(jī)等驅(qū)動方案，需要采用新型致動器。目前，國內(nèi)外微型機(jī)器人采用的新型致動器材料包括壓電陶瓷、微型電動機(jī)、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(yīng)用于微型機(jī)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(tài)，但致動自由度較少，存在磁滯等非線性現(xiàn)象，影響開環(huán)控制精度。

美國哈佛大學(xué)研發(fā)出多型壓電陶瓷驅(qū)動、系繩供電的微型機(jī)器人，包括RoboBee 飛行機(jī)器人、HAMR系列四足機(jī)器人、MilliDelta 振動機(jī)器人。

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

圖1 RoboBee機(jī)器人

HAMR 微型機(jī)器人的驅(qū)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(xué)為其增加射頻通信功能（HAMR-F），同年12 月，又研發(fā)出電黏附攀爬型機(jī)器人（HAMR-E）。HAMR 微型機(jī)器人長4.5cm，仿照昆蟲的足式設(shè)計，通過微控制器和電子設(shè)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(jī)器人重2.8g，運動速度可達(dá)17.2cm/s；電黏附攀爬型HAMR-E 機(jī)器人重1.48g，可通過電黏附作用在導(dǎo)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(jī)器人

MiliDelta 振動機(jī)器人由哈佛大學(xué)和韓國亞洲大學(xué)于2018 年聯(lián)合研發(fā)。機(jī)器人采用印刷電路微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)制造，尺寸為15mm×15mm×20mm，總重430mg，有效載荷為1.31g，由基板、雙節(jié)連桿和頂板3 處獨立控制的壓電致動器驅(qū)動，可以75Hz 的頻率高精度完成制造和醫(yī)藥等領(lǐng)域的微操作，如圖3 所示。

圖3 MiliDelta機(jī)器人

此外，美國密歇根大學(xué)于2017 年研制出一種尺寸為5mm×2mm 的六足微型薄膜機(jī)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(jī)器人的足部、髖部和膝部均裝有致動器，可通過交替致動驅(qū)動機(jī)器人運動。激勵電壓為10～20V，機(jī)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(xué)研制的六足微型薄膜機(jī)器人

壓電致動器的控制可采用開環(huán)方式調(diào)節(jié)電壓，還可通過運動捕獲系統(tǒng)、蜂鳴式運動檢測器、壓電材料自感應(yīng)等方式實現(xiàn)閉合控制。2018 年，哈佛大學(xué)提出了一種使用壓電材料自感應(yīng)反饋控制壓電致動器的方法。這種方法依據(jù)致動器運動在壓電材料表面產(chǎn)生的應(yīng)力及引發(fā)的電流，實現(xiàn)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(dá)10%，并在RoboBee 和HAMR機(jī)器人中進(jìn)行了驗證。

（二）微型電動機(jī)

尺寸稍大的微型機(jī)器人可采用微型馬達(dá)驅(qū)動。典型案例是美國加州大學(xué)伯克利分校的VelociRoACH 仿蟑螂機(jī)器人。機(jī)器人體長7.5cm，高4.5cm，重53.6g。由于尺寸較大，VelociRoACH 仿蟑螂機(jī)器人采用電動機(jī)驅(qū)動，由300mA·h 的鋰聚合物電池供電。2017 年，研究人員為機(jī)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(jī)器人

此外，韓國韓巴大學(xué)還研發(fā)出類似電動機(jī)的電磁致動器，參考無刷直流電機(jī)設(shè)計，利用交流電輸入下永磁體和電磁體間的相對振蕩實現(xiàn)驅(qū)動，如圖6 所示。電磁致動器驅(qū)動微型機(jī)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(xué)研制的微型機(jī)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(yīng)力等的刺激下改變形狀。例如，在高溫下預(yù)定型，冷卻再加熱后會變成預(yù)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(qiáng)度高、塑性大、耐腐蝕、成本低，應(yīng)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(qiáng)，但線性變形能力較差（約8%），可制成線形的“人造肌肉”驅(qū)動器。

2017 年，日本大學(xué)利用NiTi 合金（日本TOKI 公司BMX50 人造肌肉線）構(gòu)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(jī)器人，如圖7 所示。致動器采用電驅(qū)動，腿部為四連桿機(jī)構(gòu)，可將致動器的線性運動轉(zhuǎn)為步態(tài)運動。2019 年，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研制出仿水黽微型機(jī)器人，全長約14cm（主體長度5.5cm、厚2mm），質(zhì)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(jī)器人以涂有TiO2超疏水涂層的鎂銅合金線為支腿，可產(chǎn)生浮力，同時與3%的NaCl 水溶液反應(yīng)發(fā)電實現(xiàn)自供能。

圖7 日本大學(xué)研制的四足MEMS微型機(jī)器人

圖8 中國科學(xué)院研制的仿水黽微型機(jī)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(yù)定型高分子材料在熱、電、光、化學(xué)感應(yīng)等的刺激下可恢復(fù)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(qiáng)材料，目前用作微型機(jī)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(dāng)施加電壓時，發(fā)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(chǎn)生較大的應(yīng)力，斷裂韌性和功率質(zhì)量比與天然肌肉相近。介電彈性體驅(qū)動器能實現(xiàn)模塊化制造，通過多種模塊配置構(gòu)建不同功能的機(jī)器人。但與壓電致動器相比，介電彈性體的驅(qū)動電壓過高、比功低，可通過改進(jìn)材料、降低接觸電阻等途徑進(jìn)行優(yōu)化。2019 年，哈佛大學(xué)研制出介電彈性體薄膜驅(qū)動的微型飛行機(jī)器人，如圖9所示。介電彈性體由Ecoflex 0030 和Sylgard 184 的混合物構(gòu)成，單個致動器的功率密度為600W/kg，驅(qū)動電壓為800～1300V，可驅(qū)動160mg 的雙翅飛行機(jī)器人，升力約為1.8mN，90ms 內(nèi)可上升1.5cm。

液晶彈性體是液晶單體通過化學(xué)鍵合作用構(gòu)成的低交聯(lián)密度聚合物網(wǎng)絡(luò)，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(nèi)部液晶相變可逆來改變形狀，實現(xiàn)彎曲、收縮、扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)等多種動作。2016 年，波蘭華沙大學(xué)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(jī)器人，其可被外部熱刺激或光吸收產(chǎn)生的熱效應(yīng)驅(qū)動，平均速度為0.1～0.5mm/s。2017 年，芬蘭坦佩雷工業(yè)大學(xué)利用液晶彈性體研制出長8～13mm、寬2mm 的仿毛毛蟲微型機(jī)器人，能在低強(qiáng)度均勻可見光（150mW/cm2）引起的各向異性熱膨脹驅(qū)動下蠕動爬行，如圖10 所示。

圖9 哈佛大學(xué)研制的微型飛行機(jī)器人

圖10 坦佩雷工業(yè)大學(xué)（左）和華沙大學(xué)（右）研制的仿毛毛蟲微型機(jī)器人

水凝膠可隨溫度變化發(fā)生溶脹，實現(xiàn)尺寸的可逆變化，通過改變組織含水量可實現(xiàn)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(jié)合無機(jī)納米顆粒等其他材料實現(xiàn)復(fù)雜變形。

二、供能方案

微型機(jī)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(fā)電、接觸式電化學(xué)發(fā)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(xué)采用多層電沉積的微機(jī)電系統(tǒng)（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(jié)合，研發(fā)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(dá)到1720W·h/L，比功為760W/L。

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

三、集成傳感器

微型機(jī)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(tài)金屬應(yīng)變傳感器、發(fā)光二極管（LED）-光敏電阻位移傳感器、壓阻應(yīng)變傳感器、摩擦電觸覺傳感器、電磁速度傳感器、電容應(yīng)變傳感器等。不同致動及供能方式的微型機(jī)器人見表1。

表1 不同致動及供能方式的微型機(jī)器人

四、結(jié) 語

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

目前，微型機(jī)器人存在的主要問題包括兩方面：一是多數(shù)機(jī)器人仍采用系繩或外部驅(qū)動，為提高實用性，仍需進(jìn)一步研發(fā)和集成高比能電源；二是需研發(fā)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(xiàn)對微型機(jī)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(fā)展，未來有望構(gòu)建自主或遙控的微型機(jī)器人集群、柔性智能響應(yīng)微型機(jī)器人等，通過分散式、大規(guī)模部署，構(gòu)建新的監(jiān)視傳感網(wǎng)絡(luò)。