微型机器人的发展

微型机器人的发展

【摘要】微型机器人是微电子机械系统的一个重要分支,由于它能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间内作业,近几十年来受到了广泛的关注。它是随着微机电系统（MEMS）的出现和发展而应运而生的。本文着重介绍近几年微型机器人的发展与在现实生活中的应用。

【关键词】微型机器人；微型机器人的发展；

绪论

微型机器人是现化机器人技术发展的很重要方向，由于其结构尺寸微小、器件精密，可进行微细定位和微细操作，微型机器人可以应用在其他机器人无法应用的场合。

①对于人烃无法进入的危险区域，如航天飞机、导弹、核动力工厂以及石油化工的管道的探伤和维修更是十分需要微型管道机器人；

②医疗上用于诊断、注药、切除和修补的微型机器人；

③用于操作血球、细胞的微型机器人；

④集成电路的检查和修补以及制作过程中的微定位和微操作；

⑤微型器人还在军事上具有应用价值，例如用来进行军事侦察，具有不易被发现的优点等。

1.微型机器人的出现

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。

2 微型机器人的发展

2.11 微型机器人发展的现状

据2010年5月13英国《每日邮报》报道研发的“纳米蜘蛛”，这种“纳米蜘蛛”机器人的大小仅有4纳米，比人类头发直径的十万分之一还小。该“纳米蜘蛛”机器人的发明是对几年前“蜘蛛分子”机器人的改进与升级，其功能更加强大，这种纳米机器人不仅能够自由地在二维物体的表面行走，而且还能吞食面包碎屑。虽然以前研制出的DNA分子机器人也具有行走功能，但不会超过3步，而“纳米蜘蛛”机器人却能行走100纳米的距离，相当于行走50步。“纳米”机器人可以用于医疗事业，以帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的，还可以帮助人们完成外科手术，清理动脉血管垃圾，及组成计算机新硬件等。科学家们已经研发出这种机器人的生产线。

在二维物体表面行走的“纳米蜘蛛”机器人

2.2微型机器人发展中面临的问题

2.2.1驱动器的微型化

微驱动器是MEMS 最主要的部件, 从微型机器人的发展来看, 微驱动技术起着关键用,

并且是微机器人水平的标志,开发耗能低、,结构简单、易于微型化，、位移输出和力输出大, 线性控制性能好, 动态响应快的新型驱动器(高性能压电元件、大扭矩微马达) 是未来的，

2.2.2 能源供给问题

许多执行机构都是通过电能驱动的,但是对于微型移动机器人而言,供应电能的会

严重影响微型机器人的运动, 特别是在曲率变化比较大的环境中。微型机器人发展趋势应是无缆化

, 能量、控制信号以及检测信号应可以无缆发送、传输。微型机器人

要真正实用化, 必须解决无缆微波能源和无缆数据传输技术, 同时研究开发小尺寸的高容量电池。

2.2.3可靠性和安全性

目前许多正在研制和开发的微型机器人是以医疗、军事以及核电站为应用背景,

在这些十分重要的应用场合, 机器人工作的可靠性和安全性是设计人员必须考虑的一个问题, 因此，要求机器人能够适应所处的环境, 并具有故障排除能力。

2.2.4 新型的微机构设计理论及精加工技术

微型机器人和常规机器人相比并不是简单的结构上比例缩小,其发展在一定程度上和微驱动器和精加工技术的发展是密切相关的。同时要求设计者在机构设计理论上进行创新, 研究出适合微型机器人的移动机构和移动方式。

2.2.5 高度自治控制系统

微机器人要完成特定的作业, 其自身定位和环境的识别能力关键, 开发微视觉系统,提高微图象处理速度, 采用神经网络及人工智能等先进的技术来解决控制系统的高度自治难题是最终实现实用化的关键。

2.3微型机器人发展及前沿

2.31人工智能:微型机器人将可装配人体器官

最近一篇论文展示的成果表明，未来人类将可利用微型机器人从事电子组装及活组织装配的工作。这篇论文发表在2014 年 1 月28 日最新一期的《自然通信》上，论文题目为《非受限微型机器人3D 材料组合的编码（Untethered micro-robotic coding of three-dimensional material composition）》。在论文中，布莱根妇女医院与卡内基梅隆大学的研究人员展示了如何利用微型机器人对微芯片和活组织进行装配的办法。

这些内部放置有金属屑的微型机器人，实际上是长度不足 1 毫米的长方体。论文展示使用的材料是凝胶，尺寸均为 1 平方毫米左

右，形状各异，包括有正方形、圆形、三角形、球体、棒条体等。机

器人靠周围的磁场来控制，通过它们可将不同的材料推到指定的位置。此外通过斜坡的利用，机器人还可以搭建更高层的结构体。

3 结论

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：