基于微型机器人的发展及应用分析

基于微型机器人的发展及应用分析

丰正阳，钟开阳，房恒宇，宋圆美

临沂大学  276000

摘要：进入21世纪,微纳米技术和机器人技术的不断发展同时也促进了微型机器人的快速进步。微型机器人由于能够进入人类和传统机器人所不及的狭小空间内作业而受到了广泛关注。本文从微型机器人三个发展应用场景进行讨论，分析了其特点和性能，讨论目前微型机器人发展遇到的几个重要问题，并指出这些领域未来一段时间的应用场景和发展研究方向。

关键词：微型机器人、仿生、生物运用。

项目：2022年临沂大学创新创业项目（X202210452431）

前言

1959年，费曼在一次演讲中提到，机器尺寸小到一定程度会进入新的时代[1]。将微纳米技术、大规模高精度的集成电路技术等集中应用在机器人上就构成了微型机器人。此类微型机器人是21世纪机器人研究和发展的一个新方向，现在的微型机器人实际发展应用的方向正在逐渐丰富，例如在医学领域中有通过化学反应而研制的给药微型机器人；通过利用外加物理场以及机器人材料本身的特性可以开发出能够杀死肿瘤部位癌细胞的微型机器人；以及利用压电陶瓷驱动的腹腔手术微型机器人；在特殊作业中有探测管道装置的机器人还有在火灾等救援环境使用的微型机器人等。这些微型机器人的发展都给人类的发展带来了很多的便利和机遇。

一、微型机器人在医疗领域的发展

进入21世纪随着微纳米技术的不断发展进步将一些先进的技术运用于机器人出现了微纳米机器人。为纳米机器人的出现为现在医疗技术的发展创新提供了新的思路。可以利用微纳米机器人进行微创手术，这种手术带来诸多优点例如患者痛苦小、伤口创面小愈合快、手术及术后风险小等都是传统手术所无法比拟的。下面将简单介绍几种微纳米机器人在生物医疗领域的运用。

1.运输作用

微纳米机器人可以利用自身的结构特点携带上指定的药物、试剂等，到达指定病灶从而进行治疗。

一种微型载药机器人用于治疗胃部感染，其结构主要由直径20μm的Mg颗粒组成，在对幽门螺旋杆菌体外杀菌活性的试验中，载药微纳米机器人的实验效果与普通药物实验效果大致相同，在实验活鼠验证的效果也符合预期进而可以确定这种给药方式是可行的。除了能够给药之外，该机器人中的Mg能够与胃酸进行酸-Mg反应，进而中和掉部分胃酸[2]。类似地，另一种微型机器人内部由Zn组成，其作用方式与上述机器人类似同样可以进行无毒、无害的自我降解。这两种机器人与传统的口服药物相比，其药物在胃中的附着能力均有了显著的改善[3]。

2.外科手术

传统的手术因为需要人工的操作所以没有微/纳米尺度的手术工具，这限制了在这种小尺度下操作的能力。小型化的微纳米型机器人尺寸小，如果可以被用作于外科手术的工具，那么就可以达到传统手术器械所无法达到的区域，通过对比具有显著的优势。除此以外，微纳米型机器人相较于传统的手术可以降低术后感染风险和缩短回复时间降低患者的痛苦，并可以提高对手术的精确度和把控力。

一种微纳米型机器人利用外加物理场以及材料本身的特性，可以直接杀死肿瘤部位的癌细胞。Chen等[4]人通过磁场来操控该机器人来进行定位并杀死癌细胞。该团队首先在MEMS芯片中指引微型机器人，然后操纵微型机器人靶向附着在金黄色葡萄球菌上，当微型机器人与金黄色葡萄球菌相结合时，微型机器人可以施加摆动磁场使得金黄色葡萄球菌的活性显著下降。这些结果表明，使用磁性靶向装置是微型机器人进行治疗的一种有前景的方法。未来在这方面的研究还需探索血细胞、血流流动对于微型机器人控制的影响以及这种机器人在人体内的安全性。

中国科学技术大学研制出了基于压电陶瓷驱动的蛇形游动腹腔机器人[6]，该机器人将CCD摄像系统，手术器械及智能控制系统分别安装在微型机器人的端部，通过在患者的腹部开一个小口将微型机器人深入体内。其特点是响应速度快，运动精度高，作用力与动作范围大，每一节可实现两个自由度方向上±60°范围内迅捷而灵活的动作，可以进行高效的操作。

二、微型机器人在特殊作业下的发展

1.微型机器人在管道的使用

微型管道机器人是基于狭小空间及难以探测的应用背景提出的，其环境的特点就是狭长的管道、狭小的难以探测的缝隙来进行探测、维修等基础作业。由于与常规条件下管内作业环境有明显不同，其内部结构和运动方式也不同，因此如果按照传统机器人来进行等比例缩小是行不通的。由此而来，微型管道机器人的发展需要一条全新的道路。近些年来随着微电子机械技术、晶体压电技术等快速的发展，使得新型微型驱动器成为了可能。

日本的名古屋大学研制成一种微型管道机器人，可用于细小管道的检测，这种微型管道机器人的驱动方式有所不同可以利用缠绕在管道外面的电磁线圈来进行供能驱动，从而可以省去传输电缆的供电方式。国内上海两所大学同样研制出了一种管道机器人，上海交通大学发明了一种利用层叠型压电驱动器驱动的微型机器人;上海大学研制的微型机器人在层叠压电驱动器又加了双压电薄膜。该机器人采用双压电薄膜驱动器，相对于单压电薄膜，增大了驱动力，提高了承载能力。该机构的最大移动速度可以达到15mm/s，具有前进、后退、上升和下降功能[7]。

2.微型机器人在救援环境的应用

微型机器人由于机体结构的微小从而进入普通机器人无法到达的区域，如果利用了这种优点并运用在抢险救灾中那可以大大的提高救灾人员的工作效率，及时的抢救被困人员从而可以尽可能地减少人员伤亡。

由赵文等[8]人的一种基于微型灭火救援机器人发明专利，主要由底盘和箱体结构组成，箱体结构设置了有灭火系统、警示照明系统、自保系统。该机器人灭火系统上设有微型摄像头等侦察系统，通过连接高压水管连接至灭火系统。该灭火机器人可以接受无线电来进行远程遥控，因此消防救援人员可以不进入危险性较大的场地来进行灭火作业，部分狭小的地方也可以利用该机器人来进行搜寻救援。

三、微型机器人在仿生领域的发展

在人类出现之前很长时间，地球上就已经出现了亿万种不同种类的生物，它们在地球已经生活了亿万年，在这期间它们为了能够不断的适应变化的大自然环境而在不断进化，生物学家研究说明，生物在进化的过程中有一套十分精确近乎完美的机制。科学家对生物长时间的研究，发现不同生物的许多的特性都是一些传统机器人所无法比拟的。例如：生物体内的物质合成、对外界信息的接收和传递；同时一些生物的特殊的身体结构给生物本身所带来的小巧、行动灵敏、快速以及抗干扰性也十分的新奇。运用生物的特性加上现代科学技术，这就是“仿生科技”[9]。将仿生科技与机器人技术相结合便诞生出了仿生机器人。

NASA通过观察自然界蛇类动物的运动方式研制出了一种微型仿生机器人，希望能够运用在火星进行地表检测。其长度为30-50mm可以根据远程收发指令来进行伸缩、侧行、简单的越过低的障碍物，该机器人还可以钻进火星的松散的土壤进行科学探测，并且还可以伸入普通探测机器人无法探测更深的地方以及裂缝等其他狭小的地方[10]。不仅在陆地表面具有微型仿生机器人在水中微型仿生机器人也有不错进展，哈尔滨工业大学研制出了一种特殊的微型仿生机器鱼，该机器由王振龙教授团队设计研发，该微型机器鱼的结构由鱼体和推进段组成，该机器鱼的一个特点就是没有机械传动装置，游动的声音与普通鱼类相差无几。该机器鱼总长140mm，重达30g，利用无线电来进行控制。在水中实现了110mm/s的游动速度和130mm的转弯半径，其斯德鲁哈尔数为0.55，较为接近鱼类游动的理想值0.28~0.35，这次研究可以表明微型机器鱼可以模拟普通鱼类在水中较为理想的游动[11]。

四、微型机器人发展遇到的问题

1.能源供给问题

许多的执行机构都是由电能来进行驱动的，但是对于微型机器人来说，拖动供能导线会严重的影响其行动，而利用锂电池等来进行供能又碍于机器人机体结构的限制。所以微型机器人发展趋势应是摆脱供能导线实现无线化供能、各种信号均可以通过无线的方式来进行快速发送、传输。

2.结构伸缩性问题

虽然现在微型机器人形式有很多；但是几乎没有可自由改变机体结构的微型机器人。这样的机器人可以适应更多的复杂的环境例如在我国部分地区鼠患是个不小的问题，大小不一互相连通的鼠洞给驱鼠作业带来了极大的困扰，若这时可伸缩的微型机器人安装上驱鼠装置及红外测距装置，根据洞口的不同大小来调整机器人的尺寸进而进行驱鼠作业。当然也可用于其他的类似的场景，这也是微型机器人未来发展一条新的途径。

3.高度的自处理能力

微型机器人为了进行特殊作业，需要对周围环境进行一个自我认知，从而开发微视觉系统，增强图像实时处理能力，可以采用神经网络及人工智能等前沿科技进行模型训练来解决视觉图像自我高速准确的处理计算。

4.机器的可靠性和安全性

目前更多的微型机器人的研制和开发多是以医院、核电站、军事行动为背景，在这些场合中，机器人的绝对可靠性和安全性就是开发人员首先考虑的重要问题，所以要求机器人能够适应不同复杂的环境，并且具有一定的自我排除问题的能力。

五、结论

微型机器人部分已经开始实用化了，但是实用领域还是较少的，基础成本还是过高离大规模的商用化还是有很大的距离，部分的问题还是有待改进。不过，随着科学技术的快速发展，这些问题的解决只是时间问题了。微型机器人又被称为“未来机器人”，如果能够往更广泛的领域发展，也会让许多场景发生巨大的变化。

六、参考文献

[1]FeynmanRP. There’s plenty of room at the bottom [J]. Engineering and Science, 1960, 23(5): 22-36.

[2]吴宏亮,施雪涛.微/纳米机器人在生物医学中的应用进展[J].集成技术,2021,10(3):78-92.

[3]Esteban-Fernandez de Ávila B, Angsantikul P, Li JX, et al. Micromotor-enabled active drug delivery for in vivo treatment of stomach infection [J]. Nature Communications, 2017, DOI:10.1038/ s41467-017-00309-w

[4]Gao W, Dong RF, Thamphiwatana S, et al. Artificial micromotors in the mouse’s stomach: a step toward in vivo use of synthetic motors [J]. ACS Nano, 2015, 9(1): 117-123

[5]Chen CY, Chen LJ, Wang PP, et al. Steering of magnetotactic bacterial microrobots by focusing magnetic field for targeted pathogen killing [J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019, 479: 74-83

[6]陈柏，贺惠农，周银生，医用内窥镜系统体内驱动方式的研究.润滑与密封[J]，2002

[7]孙立宁，刘品宽，吴善强等，管内移动微型机器人研究与发展现状[J].光学精密工程，2003

[8]赵文、李洪林、戴文。一种微型灭火救援机器人[P].CN202569256U,2012.12.05.

[9]宗光华,毕树生.关于21世纪初我国仿生机械与仿生制造的若干思考[J].中国机械工程,2001(10):121-124.

[10]王琪民.《微型机械导论》.中国科技大学出版社,2003.

[11]黄沛.《机器人开发事态前瞻》.技术与市场,2009年02期.