機器人技術(shù)是一門迅速發(fā)展的高新技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，對人類社會的影響越來越大。微型機器人是一種具有通用編程能力的小型移動機器人，它集成了微型作業(yè)工具和各種微型傳感器。機構(gòu)微機電系統(tǒng)和微驅(qū)動器的出現(xiàn)和發(fā)展為微型機器人的誕生提供了基礎(chǔ)。
出生背景
微型機器人的出現(xiàn)與微機電系統(tǒng)的發(fā)展密不可分。可以說微型機器人是一個可編程的通用微機電系統(tǒng)工程。20世紀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、機械和光學(xué)的交叉融合推動了MEMS技術(shù)的快速發(fā)展。
和MEMS一樣，微機器人和微驅(qū)動器的發(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，隨后麻省理工學(xué)院也研制出100μm的靜電電機。
發(fā)展形勢
近年來，利用MEMS技術(shù)進入狹窄空間的微型衛(wèi)星、微型飛行器和微型機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。公司許多國家，如)，在這方面進行了大量的研究，重點發(fā)展進入工業(yè)狹小空間的微型機器人、進入人類狹小空間的醫(yī)療微系統(tǒng)和微型工廠。
在國家自然科學(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)和其他科研院所對微型機器人和微型操作系統(tǒng)做了大量的研究，分別開發(fā)了原理樣機。目前國內(nèi)對微型機器人的研究主要集中在三個領(lǐng)域:用于檢測氣體、化工、發(fā)電設(shè)備小管道的微型機器人；針對人體進入腸道的無創(chuàng)診療微型機器人；用于復(fù)雜機械系統(tǒng)不拆卸維修的微型機器人。
發(fā)展瓶頸
微型機器人具有結(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。但是，微型機器人不是簡單意義上的普通機器人的小型化，而是集傳感、控制、執(zhí)行、能量于一體的單元，是機械、電子、材料、控制、計算機和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的交叉融合。而且，微型機器人的建立需要更小的驅(qū)動器、執(zhí)行器、傳感器、處理器等。微機器人微部件的加工和開發(fā)將有利于實現(xiàn)更高意義上的微系統(tǒng)集成。然而，傳統(tǒng)的加工技術(shù)遠遠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，可以快速靈活地設(shè)計出各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而高精度微納3D打印技術(shù)已經(jīng)成為微型機器人不可或缺的手段。
3D打印技術(shù)在微型機器人中的應(yīng)用
2019年4月，多倫多大學(xué)的微型機器人實驗室在ScienceRobotics上發(fā)表了一篇關(guān)于3D打印微型機器人的文章。研究人員將釹粒子嵌入柔性材料中，通過3D打印技術(shù)設(shè)計了20多種不同形狀的磁性機器人結(jié)構(gòu)。研究人員使用一對強大的磁鐵來反轉(zhuǎn)機器人特定部位的釹的極性，使它們在磁場中相互排斥和吸引，并通過紫外線輻射將這些磁性粒子鎖定在相應(yīng)的位置。通過特定的編程程序，控制微型機器人不同部位的極性，實現(xiàn)爬行、爬行、滾動、收縮的運動效果。
目前，大多數(shù)微型機器人仍處于實驗室或原型開發(fā)階段。所以我們現(xiàn)在看到的微型機器人雖然比較簡單，但是也能執(zhí)行一些基本的操作指令，離實用化還有一段距離。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，將會出現(xiàn)各種復(fù)雜的三維微型機器人，它們可以在各種復(fù)雜的環(huán)境中工作。與此同時，迫切需要一種更加精密和精細的加工技術(shù)。下圖是深圳魔方材料技術(shù)有限公司陶瓷3D打印機加工的微型齒輪，最小細節(jié)為0.092毫米..
(BMFmicroArchS240陶瓷3D打印機加工的微型齒輪，最小細節(jié)可達0.092mm)
一般來說，微型機器人的整體尺寸小于100mm，細節(jié)尺寸可以達到微米甚至納米級，對加工精度和自由度要求極高。傳統(tǒng)的數(shù)控加工工藝價格昂貴，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。雖然材料一直是3D打印的技術(shù)難點之一，但研究人員已經(jīng)逐漸開發(fā)出一些功能材料，比如摻雜磁粉顆粒來增強磁性。而且我們還可以通過后期的表面處理來彌補材料的不足，比如表面金屬化，濺射鍍膜， 模具周轉(zhuǎn)等過程。
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。該過程基于深圳魔方材料技術(shù)有限公司作為代表，已開發(fā)出多種型號，并商業(yè)化生產(chǎn)，為國內(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，通過在高強度、高韌性樹脂中摻雜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)。