微型机器人发展史

微型机器人发展史

庄稼再不受农药的污染，而是由撒在农田里的成千上万的微型机器人杀虫灭害；人们再不为心血管疾病所困扰，因为有植入血管的微型机器人汇报身体状况，并承担起诊察、用药和手术等工作；连接密集的三维硅片结构，也可由微型机器人帮助加工„„在未来社会里，微机器人的应用将十分广泛，微机器人技术也将无所不在。

微机器人技术是多学科交叉的结晶。微机器人作为人们探索微观世界的技术装备，在微机械零件装配、MEMS的组装和封装、生物工程、微外科手术、光纤耦合作业、超精密加工及测量等方面具有广阔的应用前景和研究价值。微机器人的研究方向包括纳米级微驱动机器人、微操作机器人和微小型机器人。纳米微驱动机器人是指机器人的运动位移在几微米和几百微米的范围内；微操作机器人是指对微小物体的整体或部分进行精度在微米或亚微米级的操作和处理；微小型机器人体积小、耗能低，能进入一般机械系统无法进入的狭窄作业空间，方便地进行精细操作。

1.1 微型机器人出现的基础——微机电系统（MEMS）和微驱动器

微型机器人出现是和微机电系统的发展是分不开的，可以说，微型机器人就是可编程通用的微型机电系统工程。微机电系统的20世纪80年代后期随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微电子技术与机械、光学等领域的成功结合而诞生的，是微电子技术的拓宽和延伸，它将电子技术遭到精密机械加工技术相融全，实现了微电子与机械融为一体的系统。

和微机电系统一样，微型机器人的发展是和微驱动器的发展也分不开的，轰动世界的突破性的成就是1987年美国加州大学伯克利分校首先研制出了转子直径为60~120um的微型静电动机，随后MIT也研制出了100um的静电动机。

正是微机电系统和微驱动器的出现和发展为微型机器人的出现作了铺垫，使得微型机器人应运而生。 20世纪80年代后,随着微机电系统和微驱动器的出现和发展, 随后由微驱动器、控制系统、执行器和传感器组合而成的世界上第一台微型机器人便应运而生了。

2.1.1 微型管道机器人的发展

微管道机器人是基于狭小空间内的应用背景提出的, 其环境特点是在狭小的管状通道或缝隙行走进行检测, 维修等作业。由于与常规条件下管内作业环境有明显不同, 其行走方式及结构原理与常规管道机器人也不同, 因此按照常规技术手段对管道机器人按比例缩小是不可行的。有鉴于此, 微型管道机器人的行走方式应另辟蹊径。近年来随着微电子机械技术的发展和晶体压电效应和超磁致伸缩材料磁- 机耦合技术应用的发展, 使新型微驱动器的出现和应用成为现实。微驱动器的研究成果已成为微管道机器人的重要发展基础。日本名古屋大学研制成一种微型管道机器人, 可用于细小管道的检测, 在生物医学领域的小空间内作微小工作。这种机器人可以由管道外面的电磁线圈驱动, 而无须以电缆供电。日本东京工业大学和NEC公司合作研究的螺旋式管内移动微机器人, 在直径为Φ2514mm的直管内它的最大运动速度是260mm/ s , 最大牵引力是12N。法国Anthierens 等人研制出了适用于Φ16mm的蠕动式机器人, 此种微型机器人的最大运动速度为5mm/ s , 负载可达20N , 具有很高的运动精度, 负载大, 但运动速度较慢且结构复杂。 国内的上海大学和上海交通大学都研制出了惯性冲击式管道微机器人, 上海交通大学的微机器人采用层叠型压电驱动器驱动; 上海大学的微机器人驱动器有层叠型和双压电薄膜两种类型。

2.1.2 微型医疗机器人的发展

近几年来, 医疗机器人技术的研究与应用开发进展很快, 微型医疗机器人是其中最有发展前途的应用领域, 据日本科学技术政策研究所预测, 到2017 年医疗领域使用微型机器和机器人的手术将超过全部医疗手术的一半。因此日本制定了采用“机器人外科医生”的计划, 并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。美国马里兰州的约翰²霍普金实验室研制出一种“灵巧药丸”, 实际上是装有微型硅温度计和微型电路的微型检测装置,吞入体内, 可以将体内的温度信息发给记录器。瑞典科学家发明了一种大小如英文标点符号的机器人, 未来可移动单一细胞或捕捉细菌, 进而在人体内进行各种手术。国内的的许多科研院所主要开展了无创伤微型医疗机器人的研究, 取得了一些成果。无损伤医用机器人主要应用于人体内腔的疾病医疗, 它可以大大减轻或消除目前临床上使用的各类窥镜、

内注射器、内送药装置等医疗器械给患者带来的严重不适合及痛苦。中国科学技术大学在国家自然科学基金的资助下研制出了基于压电陶瓷驱动的多节蛇动腹腔手术术微型机器人, 该机器人将CCD 摄像系统, 手术器械及智能控制系统分别安装在微型机器人的端部,通过开在患者腹部的小口, 伸入腹腔进行手术。其特点是响应速度快, 运动精度高, 作用力与动作范围大, 每一节可实现两个自由度方向上±60°范围内迅捷而灵活的动作。浙江大学也研制出了无损伤医用微型机器人的原理样机, 该微型机器人以悬浮方式进入人体内腔(如肠道, 食道) , 可避免对人体内腔有机组织造成损伤, 运行速度快, 速度控制方便。

2.1.3 特殊作业微型机器人的发展

国内外一些科研工作者广泛开展了进行特殊作业微型机器人的研究。美国国家安全实验室制造出了有史以来世界上最小的机器人, 这部机器人重量不到28g , 体积为411cm3 , 腿机构为皮带传送装置, 该机器人可以代替 人去完成许多危险的工作。美国海军发明了一种微型城市搜救机器人, 该机器人曾在2001 年“9111”事件发生后的世贸废墟搜救现场大显身手。日本三菱电子公司、松下东京研究所和Sumitomo 电子公司联合研制出只有蚂蚁大小的微型机器人, 该机器人可以进入空间非常狭小的环境从事修理工作, 身体两侧有两个圆形的连接器可以与其他机器人相连接完成一些特殊 的任务。由于自然界中的生物具有人类无法比拟的某些机能, 因此近年来利用自然界生物的运动行为和某些机能进行机器人设计、实现其灵活控制、受到了机器人学者的广泛重视。国内已有多所高校和科研院所在开展微型仿生机器人方面的研究。上海交通大学基于仿生学原理, 利用六套并联平面四连杆机构、微型直流电动机及相应的减速增扭机构研制出了微型六足仿生机器人, 体积微小, 具有良好的机动性。该机器人长30mm, 宽40mm, 高20mm, 重613 克, 其步行速度达到3mm/ s。

从20世纪80年代到现在短短30年的时间，微型机器人的发展可谓日新月异，但微机器人还处于实验室理论探索时期, 离实用化还有相当的距离。存在许多关键的技术没有得到解决, 这些问题的解决过程中同时会带动许多相关学科的发展。只有当这些问题解决以后, 微型机器人的实用化才会成为可能。我们要勇于创新, 抓住这个前沿课题, 将微型机器人技术应用到国民经济建设发展影响较大的领域。

参 考 文 献

《微系统和纳米技术》

《管道机器人》

《医生机器人》