長度僅2毫米！振動驅動的微型3D印表機器人應用前景廣闊

背景

近年來，微型機器人已經逐步形成一個牽動眾多領域向縱深發展的新興學科。

這些機器人體形微小，有的與昆蟲一般大，有的甚至更小。雖然這些機器人體積很小，但是卻在醫療、製造、農業、通信、航海、航空等諸多領域發揮著巨大的作用。

下圖所示：微型摺紙機器人可壓縮後放入可吞咽膠囊中，在膠囊溶解後將自己打開並接受外部磁場控制在胃壁上爬動，移除誤吞的紐扣電池或者修復傷口。

下圖所示：微型膠囊機器人可以封裝細胞和藥物，並將其釋放到人體的目標部位。

下圖所示：可重構微型機器人，受細菌運動方式啟發，在電磁場遠程控制下，可在人體內運動進行給葯或者手術。

下圖所示：塗有血細胞和血小板混合物薄膜的納米機器人的彩色掃描電鏡圖像。這種微型機器人可由超聲波驅動，在血液中遊動，去除有害的細菌及其產生的毒素。

下圖所示：微型飛行機器人 RoboBee 既可以游泳，也可以飛行。

下圖所示：由激光供電的無線飛行機器人RoboFly。

下圖所示：微型機器人採用液晶彈性體技術，可模仿毛蟲步態。15毫米長的軟體機器人，從綠色光線上吸收能量，通過空間調製的激光射線控制。

下圖所示：一群微型機器人協作形成「微工廠平台」，就像一大群螞蟻分工合作，有序地完成任務和製造產品。

創新

今天，筆者要為大家介紹的是由美國喬治亞理工學院研究人員們創造的一種新型微型3D印表機器人。

它利用來自壓電致動器、超聲波源，甚至是小型揚聲器的振動來運動。一群「微型刷毛機器人（micro-bristle-bots）」可以一起工作來感知環境變化、移動材料，或者未來修復人體內的損傷。

一篇描述微型刷毛機器人的論文已經發表在《微機械與微工程期刊（Journal of Micromechanics and Microengineering）》上。這項研究得到了喬治亞理工學院電子與納米技術研究所種子基金的資助。

研究團隊成員包括喬治亞理工學院電氣與計算機工程學院助理教授阿扎德·安薩里（Azadeh Ansari）、喬治·W·伍德拉夫機械工程學院副教授上田俊（Jun Ueda）以及研究生金德宇（DeaGyu Kim）與郝志堅 (Chris Hao)。

\下圖所示：阿扎德·安薩里、金德宇、郝志堅在實驗室中，他們背後的測試室用於測試微型刷毛機器人。

技術

根據配置，這些原型機器人可響應不同的振動頻率。這樣一來，研究人員可通過調整振動來控制單個機器人。這種機器人的長度約為2毫米，大約是世界上最小的螞蟻的尺寸。儘管這些機器人受制於小尺寸的物理局限性，但是它們仍然可以在一秒鐘之內覆蓋四倍於其自身長度的區域。

微型刷毛機器人由粘貼在聚合物身體上的壓電致動器組成，聚合物身體由雙光子聚合光刻（TPP）技術3D列印而成。致動器產生振動，並通過外部供電，因為沒有足夠小的電池可以安裝到機器人身體上。這種振動也可以來自表面下方的壓電振動篩（機器人在其上方運動），或者來自超聲波/聲納源，甚至來自微型的揚聲器。

振動迫使彈力腿向上和向下移動，推動微型機器人前進。每個機器人可以根據腿的尺寸、直徑、設計和整體幾何形狀，被設計用於響應不同的振動頻率。振動的幅度控制微型機器人運動的速度。

安薩里解釋道：「隨著微型刷毛機器人向上和向下移動，通過優化設計像刷毛般的腿，垂直運動被轉化為定向運動。微型機器人的腿可以設計成特定的角度，使之可以彎曲以及向著振動的共振響應方向運動。」

微型刷毛機器人是採用TPP工藝在3D印表機中製造而成，TTP工藝聚合了單體樹脂材料。樹脂塊通過化學方法開發成功之後，它的某個部分就會受到紫外線照射，而其餘部分會被清洗掉，留下我們要想的機器人結構。

安薩里解釋道：「這是一種寫入而不是傳統光刻。你會得到你用激光在樹脂材料上寫入的結構。這項工藝目前需要花費相當長的時間，所以我們正在尋找方法來改善它，從而一次製造出成百上千個機器人。」一些機器人有四條腿，另一些則有六條腿。論文第一作者金德宇製造了數百個微型結構來確定理想的配置。

壓電致動器採用了鋯鈦酸鉛（PZT）材料，當被施加電壓時會產生振動。相反，它也可以在振動時產生電壓。當微型刷毛機器人受外部振動驅動時，它可以利用這個功能為所攜帶的感測器供電。

下圖所示：阿扎德·安薩里、金德宇、郝志堅測試位於測試室中微型刷毛機器人，該測試室含有壓電致動器的聲音。

安薩里及其團隊正在通過將兩個稍有不同的微型刷毛機器人連接到一起，為機器人增添轉向功能。因為每一個連接在一起的微型機器人都會響應不同的振動頻率，組合起來就可以根據不同的頻率和幅度來實現轉向。她說：「一旦你擁有了一個可完全轉向的微型機器人，你就可以想像去完成許多有趣的任務。」

安薩里表示，其他研究人員在研究用磁場來產生運動的微型機器人。雖然磁場可用於一次移動一群微型機器人，但是磁力無法輕易地控制集群中的每個機器人。安薩里及其團隊創造的微型刷毛機器人被認為是通過振動驅動的最小機器人。

微型刷毛機器人長度約為2毫米，寬度約為1.8毫米，厚度約為0.8毫米，重量約為5毫克。3D印表機可以製造出尺寸更小、重量更輕的機器人。微型設備和表面之間的粘附力可以變得很大。有時，這種微型機器人無法與夾起它們的鑷子分開。

安薩里及其團隊構造了一個「運動場」，多個微型機器人可以在這個運動場中到處走動。這樣一來，研究人員們可以學習到更多關於這些微型機器人可以完成的任務。他們也對開發可以跳躍和游泳的機器人感興趣。

價值

安薩里表示：「我們正致力於讓這項技術變得更耐用，而且我們想到許多潛在的應用。我們正工作在機械、電子、生物和物理的十字路口。這是一個非常富饒的領域，為跨學科概念提供了很大的空間。」

她還表示：「例如，我們可以觀察螞蟻的集體行為，將從螞蟻身上學到的東西應用到我們的微型機器人上。這些微型刷毛機器人在實驗室環境中優雅地走動，但是在它們走入外部世界之前，我們還必須做很多工作。」

關鍵字

機器人、3D列印、致動器

參考資料

【1】DeaGyu Kim, Zhijian Hao, Jun Ueda, Azadeh Ansari.A 5mg micro-bristle-bot fabricated by two-photon lithography. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2019; DOI: 10.1088/1361-6439/ab309b

【2】http://www.rh.gatech.edu/news/623453/tiny-vibration-powered-robots-are-size-worlds-smallest-ant#hg-additional-media

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