機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)迅速發(fā)展的高新技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，對(duì)人類社會(huì)的影響越來(lái)越大。微型機(jī)器人是一種具有通用編程能力的小型移動(dòng)機(jī)器人，它集成了微型作業(yè)工具和各種微型傳感器。機(jī)構(gòu)微機(jī)電系統(tǒng)和微驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)和發(fā)展為微型機(jī)器人的誕生提供了基礎(chǔ)。
出生背景
微型機(jī)器人的出現(xiàn)與微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展密不可分。可以說(shuō)微型機(jī)器人是一個(gè)可編程的通用微機(jī)電系統(tǒng)工程。20世紀(jì)80年代后期，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，微電子、機(jī)械和光學(xué)的交叉融合推動(dòng)了MEMS技術(shù)的快速發(fā)展。
和MEMS一樣，微機(jī)器人和微驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展也是密切相關(guān)的。1987年，加州大學(xué)伯克利分校取得了轟動(dòng)世界的突破性成果。首次研制出轉(zhuǎn)子直徑60~120μm的微型靜電電機(jī)，隨后麻省理工學(xué)院也研制出100μm的靜電電機(jī)。
發(fā)展形勢(shì)
近年來(lái)，利用MEMS技術(shù)進(jìn)入狹窄空間的微型衛(wèi)星、微型飛行器和微型機(jī)器人在軍事和民用方面都顯示出誘人的應(yīng)用前景和戰(zhàn)略意義。日本(三菱電子)公司、松下東京研究所和住友電子。公司許多國(guó)家，如)，在這方面進(jìn)行了大量的研究，重點(diǎn)發(fā)展進(jìn)入工業(yè)狹小空間的微型機(jī)器人、進(jìn)入人類狹小空間的醫(yī)療微系統(tǒng)和微型工廠。
在國(guó)家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的資助下，上海交大，哈爾濱理工大學(xué)，廣東理工大學(xué)，上海大學(xué)和其他科研院所對(duì)微型機(jī)器人和微型操作系統(tǒng)做了大量的研究，分別開(kāi)發(fā)了原理樣機(jī)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)微型機(jī)器人的研究主要集中在三個(gè)領(lǐng)域:用于檢測(cè)氣體、化工、發(fā)電設(shè)備小管道的微型機(jī)器人；針對(duì)人體進(jìn)入腸道的無(wú)創(chuàng)診療微型機(jī)器人；用于復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)不拆卸維修的微型機(jī)器人。
發(fā)展瓶頸
微型機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)尺寸小、器件精密、微操作、慣性小、響應(yīng)快、諧振頻率高、附加值高等特點(diǎn)。但是，微型機(jī)器人不是簡(jiǎn)單意義上的普通機(jī)器人的小型化，而是集傳感、控制、執(zhí)行、能量于一體的單元，是機(jī)械、電子、材料、控制、計(jì)算機(jī)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的交叉融合。而且，微型機(jī)器人的建立需要更小的驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器、傳感器、處理器等。微機(jī)器人微部件的加工和開(kāi)發(fā)將有利于實(shí)現(xiàn)更高意義上的微系統(tǒng)集成。然而，傳統(tǒng)的加工技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些微小零件的加工需求，因此研究人員逐漸將目光轉(zhuǎn)向近年來(lái)炙手可熱的增材制造技術(shù)。增材制造，也稱為3D打印技術(shù)， 摒棄了傳統(tǒng)加工技術(shù)工藝復(fù)雜、成本高、難度大的特點(diǎn)，可以快速靈活地設(shè)計(jì)出各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而高精度微納3D打印技術(shù)已經(jīng)成為微型機(jī)器人不可或缺的手段。
3D打印技術(shù)在微型機(jī)器人中的應(yīng)用
2019年4月，多倫多大學(xué)的微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室在ScienceRobotics上發(fā)表了一篇關(guān)于3D打印微型機(jī)器人的文章。研究人員將釹粒子嵌入柔性材料中，通過(guò)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了20多種不同形狀的磁性機(jī)器人結(jié)構(gòu)。研究人員使用一對(duì)強(qiáng)大的磁鐵來(lái)反轉(zhuǎn)機(jī)器人特定部位的釹的極性，使它們?cè)诖艌?chǎng)中相互排斥和吸引，并通過(guò)紫外線輻射將這些磁性粒子鎖定在相應(yīng)的位置。通過(guò)特定的編程程序，控制微型機(jī)器人不同部位的極性，實(shí)現(xiàn)爬行、爬行、滾動(dòng)、收縮的運(yùn)動(dòng)效果。
目前，大多數(shù)微型機(jī)器人仍處于實(shí)驗(yàn)室或原型開(kāi)發(fā)階段。所以我們現(xiàn)在看到的微型機(jī)器人雖然比較簡(jiǎn)單，但是也能執(zhí)行一些基本的操作指令，離實(shí)用化還有一段距離。未來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)各種復(fù)雜的三維微型機(jī)器人，它們可以在各種復(fù)雜的環(huán)境中工作。與此同時(shí)，迫切需要一種更加精密和精細(xì)的加工技術(shù)。下圖是深圳魔方材料技術(shù)有限公司陶瓷3D打印機(jī)加工的微型齒輪，最小細(xì)節(jié)為0.092毫米..
(BMFmicroArchS240陶瓷3D打印機(jī)加工的微型齒輪，最小細(xì)節(jié)可達(dá)0.092mm)
一般來(lái)說(shuō)，微型機(jī)器人的整體尺寸小于100mm，細(xì)節(jié)尺寸可以達(dá)到微米甚至納米級(jí)，對(duì)加工精度和自由度要求極高。傳統(tǒng)的數(shù)控加工工藝價(jià)格昂貴，柔性低，一般適合加工大型零件。但MEMS加工工藝復(fù)雜，垂直加工受限，適合二維加工。而3D打印技術(shù)作為一種快速發(fā)展的制造技術(shù)，具有低成本、高效率、加工成型一體化的特點(diǎn)。雖然材料一直是3D打印的技術(shù)難點(diǎn)之一，但研究人員已經(jīng)逐漸開(kāi)發(fā)出一些功能材料，比如摻雜磁粉顆粒來(lái)增強(qiáng)磁性。而且我們還可以通過(guò)后期的表面處理來(lái)彌補(bǔ)材料的不足，比如表面金屬化，濺射鍍膜， 模具周轉(zhuǎn)等過(guò)程。
目前能夠?qū)崿F(xiàn)高精度3D打印的工藝屈指可數(shù)，面投影微立體光刻的PμSL工藝就是其中之一。該過(guò)程基于深圳魔方材料技術(shù)有限公司作為代表，已開(kāi)發(fā)出多種型號(hào)，并商業(yè)化生產(chǎn)，為國(guó)內(nèi)外多家大型。公司提供高精度加工解決方案。下圖顯示了公司10um精密設(shè)備NanoArchS140，通過(guò)在高強(qiáng)度、高韌性樹(shù)脂中摻雜20%質(zhì)量比的磁粉顆粒，具有磁性抓手和磁性彈簧陣列結(jié)構(gòu)。