跟着探索微观世界程序的赓续加速，操纵工具的尺寸由细胞程度缩小到了份子、原子程度，操纵使命还由观察升级到了改革。正在这里一过程中，微纳操控机器人发挥着极其重要的作用，其主流驱动方法包孕电磁、静电、电热、压电等。只管有触目皆是的研究成果或贸易产物赓续涌现，可是它们均面对一个严格的挑衅——没法实现高精度、大路程、强承载和多自由度正在单一机器人上的分身。这意味着必需设计完整差别的机器人来满意各色各样的利用需求，极大地加了研制本钱，还限定了微纳操控机器人的利用规模。

图1 | 电磁、静电、电热、压电驱动型微纳操控机器人举例

针对该项困难，哈尔滨工业大学机械人手艺取体系国家重点实验室的刘英想传授团队正在Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上揭晓了题为《面向高性能微纳操控的仿生多足压电机械人设计思惟》（Bioinspired Multilegged Piezoelectric Robot: The Design PhilosophyAiming at High-Performance Micromanipulation）的学术论文，提出了一种全新的微纳操控机械人设计理念，以一种通用且有用的方法实现了多种性能指标正在单一压电机械人上的统筹，打造出了微纳操控机械人中的“万能选手”。

图2 | 微纳操控机械人在细胞手术中的运用

正在该项研讨工作中，研讨人员受自然界中多足动物具有极佳的环境适应性启示，凭据它们的身体组织和活动形式，提炼总结出“活动功能模块”、“多单位协同功课”和“多形式交融”三个基本特征，并以此为底子提出了一种面向多维跨标准 操控的压电机器人的设计理念。详细来讲，摹仿多足动物强健而矫捷的腿设计了具有多自由度活动本领的压电严密驱动腿，摹仿多足动物多腿合营的活动体例将多个驱动腿以特定的拓扑组织组合来实现种种自由度的活动需求，摹仿多足动物的多种活动形式规划了摆动、滑移、行走三种活动步态，正在不一样的活动阶段运用相匹配的步态来实现多种性能指标的统筹。

图3 | 自然界中的多足动物：设计理念的灵感来历

为了以实验的体式格局考证该设计理念的有效性和正确性，研究人员设计了一种压电周详驱动腿，并组装成一个六足压电机械人，对其举行性能测试。实验结果表明，取现有的研究成果或贸易产物相比，该机械人在精度、路程、承载、速度、尺寸和自由度等方面的综合性能具有明显的上风和提高，可谓微纳操控机械人中的“六边形兵士”。

图4 | 六足压电机器人取已经有研究成果或贸易产物的性能比较

功能模块设计

取多足动物火速而强健的腿足类似，研究人员设计了一种三自由度压电邃密精美驱动腿，作为压电机器人的底子功能模块。该压电邃密精美驱动腿包括一组压电伸缩叠堆和一组压电蜿蜒叠堆，正在鼓励电压的作用下其末了可以输出三自由度的邃密精美活动。根据调解鼓励旌旗灯号，可以分解空间中随意率性活动轨迹，来实现对压电机器人团体的驱动结果。

图5 | 压电邃密精美驱动腿的结构设计

图6 | 压电细密驱动腿的三自由度变形

图7 | 压电精细驱动腿的空间轨迹分解活动

多单位协同功课

虽然压电驱动腿具有三自由度紧密活动的才能，然则它的活动路程太小，且活动情势单一。为了实现多种性能指标正在单一机器人上的分身，研究人员摹仿多足动物的身体机关，将六个雷同的压电驱动腿根据特定的拓扑布局组合形成了一个六足压电机器人，调剂六个驱动腿的轨迹取时序相互配合便可以使压电机器人以差别的方法实现活动输出。

图8 | 六足压电机器人的装配步骤

图9 | 六足压电机器人的三维构造取实物照片

多形式交融驱动

自然界的多足动物采取多样化的步态来顺应差别的环境需求，研究人员还为六足压电机器人设计了摆动、滑移、行走三种活动步态来顺应种种转变的使用前提。此中，摆动步态适用于正在小范围内输出超高精度的活动，这类步态具有空间中六个自由度，只管其活动路程只会到达几十微米或几百微弧度的量级，然则其活动分辨力高达4nm或0.2μrad，即便是开环前提下的重复性精度还优于0.1μm或7μrad。为了实现更大的活动路程，基于步进积累道理的滑移步态能够将平面内三自由度的活动路程扩大至无限，并且这类步态的鼓励方式非常简朴，最大活动速度可达1.89mm/s，适适用于轻载大路程的使用需求。而正在须要强盛承载才能的使用中，行走步态便能够大有可为，这类步态一样能够实现平面内三自由度的无限路程，不外最令人瞩目的照样其强盛的承载才能——当负载由零转变至10kg时，其速度颠簸最大不超越10%。这还就意味着该机器人凭仗本身0.45kg的重量，能够稳固驱动超越22倍自重的负载。

图10 | 六足压电机器人摆动步态的活动道理

图11 | 六足压电机器人滑移步态的活动道理

图12 | 六足压电机器人行走步态的活动道理

这三种步态正在结构上调和同一，正在活动输出区间上优势互补。是以，将它们集成到同一机器人上并正在特定的条件下利用相匹配的步态，就能够实现多种性能指标正在单一机器人上的分身。详细来讲，当机器人的事实位置间隔目的位置较远时利用滑移步态或行走步态逐渐接近目的位置，当位置偏差减小后则切换到摆动步态来进一步进步定位精度。正在轻载条件下，能够利用滑移步态取摆动步态的组合来简化鼓励要领；正在重载条件下则利用行走步态取摆动步态的组合来寻求加倍稳固的活动输出。实验结果表明，根据这三种活动步态的实时切换，六足压电机器人能够正在毫米级的范围内实现5nm的闭环定位精度，具有了正在不一样载荷下实现多维跨标准活动输出的才能。

图13 | 多形式融会掌握战略取闭环活动实验后果

使用拓展取发展前景

凭仗优秀的多维跨标准活动才能，研讨人员还尝试以视觉操纵的体式格局将该机器人应用于多细胞的批量自动化操纵中，实现了虾卵母细胞和神经细胞正在显微操纵针下的精准定位，取得了令人满意的实验结果。借助于原子力显微镜等东西，该机器人还可以应用于超严密加工中以实现微观布局的塑造。除此之外，研讨人员还指出，虽然正在此研讨工作中，六足压电机器人是开展实验研讨的次要东西，然则这其实不意味着所提出的设计思惟只适用于该范例的压电机器人。恰恰相反，这类设计思惟具有极好的普适应和迁移性，将压电驱动腿开展并依照所需求的拓扑布局组合，就可以以简朴便利的体式格局构建出具有不一样功用的微纳操控压电机器人。凭仗这类设计理念，甚至有大概研制成一系列的微纳操控机器人家族，进而组成一整套集定位、观察、操纵于一体的微纳操控体系，来满意种种高性能的微纳操控需求。

图14 | 压电机器人应用于虾卵母细胞和神经细胞的精准定位取操纵

图15 | 压电机器人应用于超精细加工和微纳操控体系

研讨人员示意，这项研讨工作中所提出的设计思惟不单单丰厚了微纳操控机器人的设计理论，可认为微纳操控行业的研讨起到必定的参考和启示作用，并且还能将预期运用中的微纳操控效力进一步进步，助推生命科学、材料科学、微纳制作等行业的生长。