微型和超微型机器人研究现状及发展趋势

微型和超微型机器人研究现状及发展趋势

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2年前,诺贝尔奖金获得者美国物理学 0家理查德·费恩曼提出了研制微型和超微型机械系统的设想 . 2年后的今天,微型机械 0电子学,微型机械和真空微电子学及其相应的结构,装置和系统的开发研究出现了新的

为微型机构} 1微微米至 1微米为超微型机 0 0构 .下面我们根据这个基本定义,简单地介绍国外微型和超微型机器人的应用领域,研究现状和发展趋势 .

势头 .在微型机械电子学方面,科学家和工程师们利用 2年来努力奋斗而发展起来的集 0成电路微细加工技术,能将机构及其驱动器和传动装置,传感器,控制器,电源集成于几立方毫米的多晶硅片上,而制造出价格低 廉,用途广泛的各种微型和超微型机器人微型和超微型机器人具有广阔的应用前景, 可应用于农业,工业,航天,军事,医学,

一

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应用领域

美国麻省理工学院的科学家们根据目前研究工作基础和发展趋势,对未来微型和超微型机器人的用途作了科学的预测微型和

超微型机器人的应用特征非常简单,不是一台结构庞大,价格昂贵的大型机器人去做一件事,而是成千上万个价格非常低廉的细小而极简单的机器人去完成 .这正如用一群蝗虫去收割一块地的庄稼要比使用一台大型联合收割机的农民快 .下面我们举例说明微型和超微型机器人的应用领域:

航海和家庭服务等各个领域 .这是一门新兴的工业,必将对机械电子行业产生巨大的影响.

日本东京工业大学林辉教授对微型和超微型机构的尺寸作了一个基本定义:即 l毫米至 l 0毫米为小型机构 1微米至 l毫米 O 0与国外先进水平相比存在较大的差距 . 根据以上分析,我国机器人技术的现状是:工业机器人目前尚处在仿制,消化吸收

1 .在航海方面,扔下成千上万个微型机器人去咀嚼在航行中的轮船底部的贝类和一

代工业机器人的研究,设汁,生产维修及

其应用技术 .提高关键元器件的国产配套率 .提高国产机器人可靠性 .( )加强机器人应用工程的研究,特别 2

阶段,结合国情的

机器人应用工程尚处在起步阶段 .机器人机械学的研究工作虽取得不少研究成果,其中一些理论研究成果甚至已

应重视,鼓励国产机器人应用工程的开发,使机器人技术尽早为我国社会主义经济建设服务 . ' ( )加强机器人和机器人应用工程方面 3

达到和超过国际先进水平,但总的说来还不能做到系统,全面地指导机器人整机设计,一

些先进的研究成果一时还难于直接应用于

技术人员的教育和培训工作 .出于机器人技术是一门综合技术,因此现有专业人材均难于较快地掌握该项技术为了发展机器人技

国产样机 .对此,本学科近期发展的原则理应是 .

()加强机器人机械学的实用性理论和 1基础技术研究,使我国在近期内切实掌握第一

术,有计划地培养机器人设计,制造和使用,维护人材,将是一项不容忽略的工作

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菩藓,能节省航行能源 .2.在农业方面,将成千上万个微型机器人撒在土豆地内,让它们去咬死害虫,使

作毫米级眼网膜开刀手术,在眼球运动的条件下,进行切除弹性网膜或个别病理细胞的手术切除动作;清通患啮血栓病人的阻塞动脉,接通切断神经;在人体血管中穿行,发现癌细胞并把它们杀死,以及刮去主动脉上堆积的脂肪等 .微型机器人胃镜进入胃内作

土豆有个好收成 .飞行微型机器人载着湿度和红外传感器在田野上飞翔,当发现农田有干旱现象时,便降落在灌溉系统的阀门上,

将干旱信息输入传感器,打开阀门,定量灌溉农田.

全面检查,而使病人不感到任何痛苦 . 美国国家科学基金会 18年的调查报告 98列举丁微型机械系统在生物血管中和眼外科手术中诊断与治疗疾病,高级仪器的超级清洁,微细检测与修补,工业,军事,航空航天,农业等方面的 2个有希望的重大应用领 5域.

3.在通信方面,微型机器人可携带CC D摄像机和微型光纤,进入人类无法到达

的地方去观察环境,存储或抟输图像 .当地下电缆断了以后,成千个微型机器人沿着电缆爬行,爬到断头时,便举起后腿,前腿搭在前端断头上 .于是微型机器人便成为连接导线

永久留在电缆上 . 4.在军事方面,微型机器人用音频,

二,研究现状根据目前我们掌握的资料,国外从事微型和超微型机器人开发研究的国家主要有美

可见光和红外等手段收集情报}漂海微型机器人听到水下噪声后,喷射出化学染料,指

示出敌方潜艇的位置,然后用导弹去摧毁; 在战场前沿部署一些携带红外传感器的微型机器人,能获得高密度入侵者的位置信息 . 在交通不便和信息传输困难的地域,放出一些携带 C CD摄像机的微型机器人,将敌方的活动情况摄入相机,飞回后将所摄的图像传送到大型图像存储器之中,供以后分析研究用.

国,日本和德国等 .美国现在从事该项研究工作的主要单位是麻省理工学院,加利福尼亚大学和贝尔实验室}支持该项研究工作的主要单位是美国国家科学基金会和美国科学财团 ( T)等 .美国科学财团于 1 8年支 NS 98持几所大学 1 0美元作为科研启动费,9 9万 0 1 8年将这些经费增加了一倍,现已研制出直径 2 0微米,长 1 0微米的铰链连杆, 2 0×1 0 5 0 0微米的滑块机构和其它微型齿轮,曲柄,弹簧等 .美国国家科学基金会四年前已开始向加利福尼亚大学伯克利分校的传感器与驱动器中心 ( S B AC)提供经费 .美国国防部和

5.在航空航天方面,可以清洁,修理空间望远镜,检查宇宙飞船热屏蔽罩,给飞

机机罩除冰,将大量的飞行微型机器人部署在星球上,可收回各种所需的信息 . 6.在家庭服务和保安方面,每天晚上放出飞行机器人在商店和仓库附近打更放

十几家公司也向它提供资助 . BS AC耗资1 0万美元建成了 1 0 0平方英尺玻璃墙壁 50 20

哨",当有可疑盗窍者进入时,红外传感器指示其规模大小和活动方向 .微型机器人还

的无尘室,于研究微型机械器件 .在,贝用现尔实验室已开发出一种直径仪为 4 0微米的 0

可以给家庭隐蔽处除尘,进入马达或机器中进行检查和维护 . 7.在医学方,这是目前国外研究最活跃,投资最多的应用领域,也是最有发展

齿轮; BS AC已研制出一些小到能在一张普通邮票上容放 6万件的齿轮和其它器件 .18 9 7年在东京召开的一次围际会议上,

BS AC报告了第一

次研制成的曲柄齿轮机构,微型机械器件以及直径5微米的旋转关 0

前途的应用领域 .外科医生遥控渤型机器人

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节,齿轮驱动的模块和灵敏的弹簧 . 1 8年 98 1 0多位科学家汇集在麻省讨论了用微型机 0械器件组装的微型机器人 . 9 9 2月,些 18年这科学家又一次探讨了微型机械学的未来 .美国麻省理工学院人工智能实验室正在研制一种"子机器人",用于收集情报和窃听 .蚊 日本政府投资 1 0亿日元进行微型和趋 0微型机器人的开发研究 .参加的单位主要有 日本筑波大学,东京工业大学,东北大学, 早稻田大学及富士通研究所等 .现在,它们已研制出直线执行机构和超微埋 !门,泵阀等 .美国和日本对硅基片的三维刻蚀作了大量的实验和理论研究工作 . 美国电子电气工程学会 (EEE建立 I )了一个微型机械电子产品工厂 .每年在美国和日本举行一次学术交流会,主要内容有 r ( )型机械电子系统,型机械电子产品, 1微微 微细加工有关的系统和设备,装配系统,材料,测量与试验技术,仿真与 C AD|( )元 2器件和应用系统——驱动器,传感器和多芯片微型组件,电源及其转换,光学元器件; ( )微型机械电子学的有关系统 . I 3 OP, AI I P,EEE和 AS E四个国际学术组织还联 M合创办了一个季刊:微型机械与微型工程 .《

导塑料基底上产生;( )用电沉积金属 ( 4二次电铸)到塑料结构中 (塑料结构代替抗蚀剂体 ),可以作成金属微型结构最后成品在最后电铸过程中,可以大量获得补充的金

属微型结构 .L G方法与大规模集成电路 IA制作技术相结台,可以制作成各种具有广泛用途的微型结构 .为了在今后 5年内大量生产作准备,该研究所与产业部门正在共同制造关键设备 . ()清洁问电铸机,能完全自 1 动制作金属微型结构; ( )制造了热塑材料 2注射模铸机} ( )设计了反作用模铸机的样 3机 .为了在工业上应用 LI GA方法进行 X射线深刻蚀,在波恩大学作了 2 5 V电子同 . Ge

步辐射试验,制成了同步辐射源 .卡尔斯鲁核研究中心研制的便携式同步辐射源 ( . I5 Ge有四个超导磁铁,有地面 8× 8米, V)占 无需混凝土外罩防护 .由于其小型化

降低了成本.

三,发展趋势微型机械之所以能迅速发展,主要是建

立在 2年来发展起来的大规模集成电路制作 O设备与技术之上的.微型驱动器,微型传感 器都是在集成电路技术基础上用标准的光刻和化学腐蚀技术制成的,不同的是集成电路

18年德国卡尔斯鲁核研究中心的微型 97机构研究所研究出了一种新型微加工方法 ( GA)这种方法是 x射线深刻蚀,电铸 LI .和塑料模铸的组台,其步骤是 ( )用同步 1辐射软 X射线通过掩膜精密深刻蚀 (度由厚 1至 1 0微米 )直接在基板上聚台厚层 X O 00, 射线抗蚀剂体,作出主抗蚀剂体样板, () 2用电沉积金属到抗蚀剂体结构中 (电铸 )作成金属结构 (模型芯 )作为多次再生产聚铸,

大部分是二维刻蚀的,而此处则完全是三维的 .由于目前三维微型加工设备还没有问

世,所以都适当地用传统大规模集成电路加工方法制作微型机械系统,保证马达,传感器,控制器都集成刻蚀在一个小芯片上,以

利于大规模生产和降低成本 .据美国科学家估计,未来的微型和超微型机器人每千个的价格相当于一支派克钢笔的价格 . 美国麻省理工学院的科学家们根据目前微型机器人的基础研究工作提出了以下发展战略: I.所有传感器都采用无晾敏感型以保

合塑料样板的工具,( )用此金属结构模铸 3 (反作用注射模铸法)出塑料结构,然后用用非常精密成形的微金剐石切下即可在大量生产塑料微型结构时,将这些铸模型芯多次用反作用注射模铸法制造 .在第二阶段反作用注射模铸过程中,电绝缘结构可以在电一

存功耗 .正在试用新的无源传感器:如静电

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柔性计算机集成制造高谷美1 9年,柔性计算机集成制造已列入美 92国国家的关键技术,现将该部分内容摘编如下.一

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实际一智能加工设备集中在加工/工 ,作站这一级,而柔性 cI则致力于满足工 M厂这一级管理及加工需求 .柔性 CI将各 M

,

技术概述

种级别的工厂自动化设备及信息系统综合到一

十单一的协作系统中 .在其最低级,制造

柔性计算机集成制造 ( I C M)可以缩短 设计与制造周期,降低成本

以及改善产品质嚣 .借助计算机技术,柔性 cI将产品, M 工艺和制造管理信息综合于单一交互式网络中,极大地减少了生产产品所需的"务处事

任务由在单独的工作站完成的单一工序和工

艺组成 .由一系列共同任务或功能组成的一组工作站,便构成一个工厂制造单元 .这些单元共同地将零部件输送到工厂的加工中

心,这些中心可能由零部件装配,安装及总装操作组成 . cI系统"视"工厂所有 M监操作运转,包括工作站,制造单元,加工中心,以及确保工厂能对设计和销售的信息输入作出响应 .

理"的数量 .它剥整个制造业功能产生了影响 .它包括产品工程和设计,工艺规程编制,生产调度,子承包商及丰售商的活动,肖

部件生产及产品装配,检测以及用户服务等 .目前柔性 CI已能使批量小及品种繁 M多的产品的生产比起过去更加趋于流水化作

柔性 cI综台了垒公司的信息系统, M 全工厂的计划及管理系统,工厂调度中心控制系统以及各单独的工作站和加工单元 .从理论上讲,柔性 cI应能进行调整以满足 M生产需求变化的要求,以及能解决在生产的其它方面出现的问题,并且实际上能以任何次序制造零部件 .总的来说,尽管最佳利用柔性 CI还需要多方面规划和协作,但系 M

业其成本和质餐都与在固定式自动化系统上的大批量生产相差不太 .成功的应用柔性C M战略的关键是迅速调整以适应工程设 I

计,要求或其它产品需求变化的能力 .它有利于确保将适销的产品以合理价格在恰当的时间里投放市场

或电容接近传感器,指南针,自动变焦距机构,化学传感器. 2.用一个微型传感器测量几个物理量,以节省芯片的实用表面 . 3.将传感器双重化,驱动器用作传感 器 .如用微型马达敏感空气庄力,当作压力传感器使用 .马达控制系统控制掌握微型马达转子,当微型机器人改变运动方向时,其转动速度与在转予上的反作用力矩相对应 .

4.为了减少功耗,应尽快设计出最佳的传动系统 . 5.研究微型机器人所存在的问题:爬行机器人中要鹪决大型步行机器人中需要解

决的所有

理论问题}控制系统要协调各关节中的所有马达;在研究游泳式微型机器人时,必须解决微型化后粘度力比惯性力大得多的问题,否则就会象蚊子掉在水中~样, 无法动弹了J飞行微型机器人研究中要解决低速飞行问题,特别是拍打飞行 .一

这样,马达用作陀螺,产生导航和定位信息

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