微型机器人的研究现状

周文博，谭晓兰，刘德祥，王月钦，班 翔

（北方工业大学机械与材料工程学院 北京 100144）

1 引言

随着科学技术的发展，在生物、医疗、精细加工等领域，迫切需要人们开发一些工作对象是微小物体或其位姿微小改变的作业技术。这种作业技术就由微型机器人承担，微型机器人作为微机电系统（MEMS）的一个重要分支，以其鲁棒性强、灵活度高、运动方式多样等优点受到了广泛的关注[1]。

2 研究现状与发展趋势

微型机器人技术研究已成为国际上的一个热点，这方面的研究不仅有强大的市场推动，而且有众多研究机构的参与。以日本为代表的许多国家在这方面开展了大量研究，重点是发展进入工业狭窄空间微机器人。国内在国家自然科学基金、863高技术研究发展计划等的资助下，高等院校和科研院所针对微型机器人和微操作系统进行了大量研究，并分别研制了原理样机。

微型移动机器人多以自然界中运动迅捷高效的生物为原型，模仿昆虫及小型动物的外形及运动方式。微型移动机器人根据其运动形式的不同可以分为爬行机器人、飞行机器人和水下机器人。微型移动机器人以其体积小、质量轻、灵活度高、运动方式多样等优点在环境监测、器件探伤、军事等领域受到广泛关注。

2.1 微型爬行机器人

微型爬行机器人是最常见的移动机器人之一，多以蜘蛛、蟑螂、蛇等爬行动物为原型设计的。微型爬行机器人越障能力强，且环境适应性也较强，能够在复杂崎岖的非规则地形中灵活运动。此类机器人能够完成灾后搜索、物品运输、管道检查等工作，具有广阔的应用前景。

美国加州大学伯克利分校的研究者们提出一种采用SCM工艺制作，由形状记忆合金驱动的六足爬行机器人[2]，见图1。该微型机器人长80 mm，宽50 mm，高15 mm，腿长22 mm，总质量为6 g。研究者们制造出一个88 mg昆虫大小的自主爬行机器人RoBeetle[3]，由甲醇的催化燃烧提供动力。

图1 SMA驱动的六足爬行机器

微型爬行机器人在医疗领域也有着广泛的应用，如图2为智能胶囊微型机器人[4]，是集体内窥视、诊疗为一体的医疗微型机器人系统。该研究对提高人类寿命与生活质量，避免外部手术对人体造成创伤与致残，具有重要的科学意义。

图2 爬行摄像胶囊机器人

2.2 微型飞行机器人

微型飞行机器人也称为MAV，按照其飞行模式可分为：固定翼、旋翼及扑翼飞行机器人。此类机器人体积小、重量轻、运动灵活，且结构简单易于小型化。微型飞行机器人需要在低雷诺数下飞行，这一点跟鸟类和昆虫的飞行是一样的。

一种仿果蝇压电驱动的微型扑翼飞行器在2013年被美国哈佛大学的Ma等[5]人研制出来，见图3。该飞行器模拟果蝇形态，使用高功率密度的压电驱动器和高效制造方法制作，其翼展为3 cm，总质量为80 mg，最佳驱动频率为120 Hz，能够产生1.3mN的升力。美国哈佛大学的Jafferis等[6]人在2019年研制出了一种带有光电源及控制电路的微型飞行器，该飞行器消耗功率为110～120 MW，推进效率近似于与蜜蜂等大的昆虫。该微型扑翼机器人翼展为3.5 cm，总质量为259 mg，驱动电压为193 V。这种飞行器是迄今为止实现持续无系留飞行最轻的飞行器。

图3 仿果蝇微型扑翼机器人

中国上海交通大学的研究者在2016年研制出了一种电磁驱动的仿昆虫微型扑翼微飞行器[7]，见图4。该微型扑翼机器人是能够升空的最小电磁驱动的扑翼机器人，其翼展为3.5 cm，总质量为80 mg，最佳驱动频率为80 Hz，驱动电压为1.1 V，功耗为1.2 W。

图4 电磁驱动的微型扑翼飞行器

2.3 微型水下机器人

微型水下机器人是以鱼类等水下生物为原型设计的，可在水中移动、具有视觉和感知系统，又被称为遥控潜水器，通过人机交互系统遥控或借助作业设备自主操作代替或辅助人类进入水下开展作业任务的机器人，按照推进方式可分为波浪形、侧鳍式及尾鳍式。

EPFL的科研工作者开发出一种“间谍鱼”——仿生微型机器人[8]，见图5。该机器人能够模仿鱼类的行为并表现出相似的集体动态，能够切实融入鱼类群体开展作业，科学家将仿生机器鱼潜藏在一组斑马鱼群中，近距离观察研究鱼群的反应及交流方式。美国密歇根州立大学的Clark等[9]人研制出了一种SMA驱动的微型仿生机器鱼。该机器鱼的主体由液体橡胶铸造，内部包含用于转向的电磁线圈、电源及控制模块。此仿生机器鱼身长为10 cm，最大平均游速为0.019 BL/s，功耗为20 MW。

图5 间谍鱼

著名机器人专家罗伯特·谢菲尔德[10]和他的团队使用一种“人造血液”——电解液体来驱动的机器鱼，见图6，该机器鱼用液体来驱动使其更轻，运动更自由，它具有靠流动来储存能量和鱼鳍在水中运动的双重功能。这种设计可以让仿生机器人尽可能多地储存能量在一个极小的空间，以增加足够长的续航时间。

图6 “人造血液”机器鱼

3 结论

从以上分析可知，微型机器人是微机械系统研究中的一个重要组成部分，有着广阔的开发和应用前景。各国科研工作者都很重视对微型机器人的研究，在很多方面已经取得了成果，但由于研究时间的局限和技术突破上的困难，众多的研究尚处于实验室阶段，MEMS及其他与机器人相关的高新技术的发展促进微型机器人的发展。