隨著探索微觀世界步伐的不斷加快，操作對(duì)象的尺寸從細(xì)胞水平縮小到了分子、原子水平，操作任務(wù)也從觀測(cè)升級(jí)到了改造。在這一過程中，微納操控機(jī)器人發(fā)揮著極其重要的作用，其主流驅(qū)動(dòng)方式包括電磁、靜電、電熱、壓電等。盡管有為數(shù)眾多的研究成果或商業(yè)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，但是它們均面臨一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)——無法實(shí)現(xiàn)高精度、大行程、強(qiáng)承載和多自由度在單一機(jī)器人上的兼顧。這意味著必須設(shè)計(jì)完全不同的機(jī)器人來滿足各種各樣的應(yīng)用需求，極大地增加了研制成本，也限制了微納操控機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

圖1 | 電磁、靜電、電熱、壓電驅(qū)動(dòng)型微納操控機(jī)器人舉例

針對(duì)該項(xiàng)難題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉英想教授團(tuán)隊(duì)在Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上發(fā)表了題為《面向高性能微納操控的仿生多足壓電機(jī)器人設(shè)計(jì)思想》（Bioinspired Multilegged Piezoelectric Robot: The Design PhilosophyAiming at High-Performance Micromanipulation）的學(xué)術(shù)論文，提出了一種全新的微納操控機(jī)器人設(shè)計(jì)理念，以一種通用且有效的方式實(shí)現(xiàn)了多種性能指標(biāo)在單一壓電機(jī)器人上的兼顧，打造出了微納操控機(jī)器人中的“全能選手”。

圖2 | 微納操控機(jī)器人在細(xì)胞手術(shù)中的應(yīng)用

在該項(xiàng)研究工作中，研究人員受自然界中多足動(dòng)物具備極佳的環(huán)境適應(yīng)性啟發(fā)，根據(jù)它們的身體構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)模式，提煉總結(jié)出“運(yùn)動(dòng)功能模塊”、“多單元協(xié)同作業(yè)”和“多模式融合”三個(gè)本質(zhì)特征，并以此為基礎(chǔ)提出了一種面向多維跨尺度 操控的壓電機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念。具體而言，模仿多足動(dòng)物強(qiáng)壯而敏捷的腿設(shè)計(jì)了具備多自由度運(yùn)動(dòng)能力的壓電精密驅(qū)動(dòng)腿，模仿多足動(dòng)物多腿配合的運(yùn)動(dòng)方式將多個(gè)驅(qū)動(dòng)腿以特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合來實(shí)現(xiàn)各種自由度的運(yùn)動(dòng)需求，模仿多足動(dòng)物的多種運(yùn)動(dòng)模式規(guī)劃了擺動(dòng)、滑移、行走三種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，在不同的運(yùn)動(dòng)階段使用相匹配的步態(tài)來實(shí)現(xiàn)多種性能指標(biāo)的兼顧。

圖3 | 自然界中的多足動(dòng)物：設(shè)計(jì)理念的靈感來源

為了以實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證該設(shè)計(jì)理念的有效性和正確性，研究人員設(shè)計(jì)了一種壓電精密驅(qū)動(dòng)腿，并組裝成一個(gè)六足壓電機(jī)器人，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)有的研究成果或商業(yè)產(chǎn)品相比，該機(jī)器人在精度、行程、承載、速度、尺寸和自由度等方面的綜合性能具有顯著的優(yōu)勢(shì)和進(jìn)步，堪稱微納操控機(jī)器人中的“六邊形戰(zhàn)士”。

圖4 | 六足壓電機(jī)器人與已有研究成果或商業(yè)產(chǎn)品的性能對(duì)比

功能模塊設(shè)計(jì)

與多足動(dòng)物敏捷而強(qiáng)壯的腿足相似，研究人員設(shè)計(jì)了一種三自由度壓電精密驅(qū)動(dòng)腿，作為壓電機(jī)器人的基礎(chǔ)功能模塊。該壓電精密驅(qū)動(dòng)腿包含一組壓電伸縮疊堆和一組壓電彎曲疊堆，在激勵(lì)電壓的作用下其末端可以輸出三自由度的精密運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)整激勵(lì)信號(hào)，能夠合成空間中任意運(yùn)動(dòng)軌跡，來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電機(jī)器人整體的驅(qū)動(dòng)效果。

圖5 | 壓電精密驅(qū)動(dòng)腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 | 壓電精密驅(qū)動(dòng)腿的三自由度變形

圖7 | 壓電精密驅(qū)動(dòng)腿的空間軌跡合成運(yùn)動(dòng)

多單元協(xié)同作業(yè)

雖然壓電驅(qū)動(dòng)腿具備三自由度精密運(yùn)動(dòng)的能力，但是它的運(yùn)動(dòng)行程過小，且運(yùn)動(dòng)形式單一。為了實(shí)現(xiàn)多種性能指標(biāo)在單一機(jī)器人上的兼顧，研究人員模仿多足動(dòng)物的身體構(gòu)造，將六個(gè)相同的壓電驅(qū)動(dòng)腿按照特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合形成了一個(gè)六足壓電機(jī)器人，調(diào)整六個(gè)驅(qū)動(dòng)腿的軌跡與時(shí)序相互配合就可以使壓電機(jī)器人以不同的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輸出。

圖8 | 六足壓電機(jī)器人的裝配流程

圖9 | 六足壓電機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)與實(shí)物照片

多模式融合驅(qū)動(dòng)

自然界的多足動(dòng)物采用多樣化的步態(tài)來適應(yīng)不同的環(huán)境需求，研究人員也為六足壓電機(jī)器人設(shè)計(jì)了擺動(dòng)、滑移、行走三種運(yùn)動(dòng)步態(tài)來適應(yīng)各種變化的應(yīng)用條件。其中，擺動(dòng)步態(tài)用于在小范圍內(nèi)輸出超高精度的運(yùn)動(dòng)，這種步態(tài)具有空間中六個(gè)自由度，盡管其運(yùn)動(dòng)行程只能達(dá)到幾十微米或幾百微弧度的量級(jí)，但是其運(yùn)動(dòng)分辨力高達(dá)4nm或0.2μrad，即便是開環(huán)條件下的重復(fù)性精度也優(yōu)于0.1μm或7μrad。為了實(shí)現(xiàn)更大的運(yùn)動(dòng)行程，基于步進(jìn)累積原理的滑移步態(tài)可以將平面內(nèi)三自由度的運(yùn)動(dòng)行程擴(kuò)展至無限，而且這種步態(tài)的激勵(lì)方法十分簡(jiǎn)單，最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)1.89mm/s，適用于輕載大行程的應(yīng)用需求。而在需要強(qiáng)大承載能力的應(yīng)用中，行走步態(tài)便可以大顯身手，這種步態(tài)同樣可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)三自由度的無限行程，不過最令人矚目的還是其強(qiáng)大的承載能力——當(dāng)負(fù)載從零變化至10kg時(shí)，其速度波動(dòng)最大不超過10%。這也就意味著該機(jī)器人憑借自身0.45kg的重量，可以穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)超過22倍自重的負(fù)載。

圖10 | 六足壓電機(jī)器人擺動(dòng)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)原理

圖11 | 六足壓電機(jī)器人滑移步態(tài)的運(yùn)動(dòng)原理

圖12 | 六足壓電機(jī)器人行走步態(tài)的運(yùn)動(dòng)原理

這三種步態(tài)在結(jié)構(gòu)上協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在運(yùn)動(dòng)輸出區(qū)間上優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此，將它們集成到同一機(jī)器人上并在特定的條件下使用相匹配的步態(tài)，就可以實(shí)現(xiàn)多種性能指標(biāo)在單一機(jī)器人上的兼顧。具體而言，當(dāng)機(jī)器人的實(shí)際位置距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)時(shí)使用滑移步態(tài)或行走步態(tài)逐步靠近目標(biāo)位置，當(dāng)位置誤差減小后則切換到擺動(dòng)步態(tài)來進(jìn)一步提高定位精度。在輕載條件下，可以使用滑移步態(tài)與擺動(dòng)步態(tài)的組合來簡(jiǎn)化激勵(lì)方法；在重載條件下則使用行走步態(tài)與擺動(dòng)步態(tài)的組合來追求更加穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過這三種運(yùn)動(dòng)步態(tài)的實(shí)時(shí)切換，六足壓電機(jī)器人可以在毫米級(jí)的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)5nm的閉環(huán)定位精度，具備了在不同載荷下實(shí)現(xiàn)多維跨尺度運(yùn)動(dòng)輸出的能力。

圖13 | 多模式融合控制策略與閉環(huán)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用拓展與發(fā)展前景

憑借優(yōu)異的多維跨尺度運(yùn)動(dòng)能力，研究人員還嘗試以視覺控制的方式將該機(jī)器人應(yīng)用于多細(xì)胞的批量自動(dòng)化操作中，實(shí)現(xiàn)了蝦卵細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞在顯微操作針下的精準(zhǔn)定位，取得了令人滿意的實(shí)驗(yàn)效果。借助于原子力顯微鏡等工具，該機(jī)器人還可以應(yīng)用于超精密加工中以實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的塑造。除此之外，研究人員還指出，盡管在此研究工作中，六足壓電機(jī)器人是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的主要對(duì)象，但是這并不意味著所提出的設(shè)計(jì)思想只適用于該類型的壓電機(jī)器人。恰恰相反，這種設(shè)計(jì)思想具有極好的普適應(yīng)和遷移性，將壓電驅(qū)動(dòng)腿進(jìn)行并按照所需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合，就能夠以簡(jiǎn)單便捷的方式構(gòu)建出具有不同功能的微納操控壓電機(jī)器人。憑借這種設(shè)計(jì)理念，甚至有可能研制成一系列的微納操控機(jī)器人家族，進(jìn)而構(gòu)成一整套集定位、觀測(cè)、操作于一體的微納操控系統(tǒng)，來滿足各種高性能的微納操控需求。

圖14 | 壓電機(jī)器人應(yīng)用于蝦卵細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞的精準(zhǔn)定位與操作

圖15 | 壓電機(jī)器人應(yīng)用于超精密加工和微納操控系統(tǒng)

研究人員表示，這項(xiàng)研究工作中所提出的設(shè)計(jì)思想不僅僅豐富了微納操控機(jī)器人的設(shè)計(jì)理論，可以為微納操控領(lǐng)域的研究起到一定的參考和啟發(fā)作用，而且還能將實(shí)際應(yīng)用中的微納操控效率進(jìn)一步提高，助推生命科學(xué)、材料科學(xué)、微納制造等領(lǐng)域的發(fā)展。