长度仅2毫米！振动驱动的微型3D打印机器人应用前景广阔

导读

据美国佐治亚理工学院官网近日报道，该校研究人员创造出一种新型微型3D打印机器人。一群“微型刷毛机器人”可以一起工作来感知环境变化、移动材料，或者未来修复人体内的损伤。

背景

近年来，微型机器人已经逐步形成一个牵动众多领域向纵深发展的新兴学科。

这些机器人体形微小，有的与昆虫一般大，有的甚至更小。虽然这些机器人体积很小，但是却在医疗、制造、农业、通信、航海、航空等诸多领域发挥着巨大的作用。

微型折纸机器人可压缩后放入可吞咽胶囊中，在胶囊溶解后将自己打开并接受外部磁场控制在胃壁上爬动，移除误吞的纽扣电池或者修复伤口。（图片来源：Melanie Gonick/MIT）

微型胶囊机器人可以封装细胞和药物，并将其释放到人体的目标部位。（图片来源：DGIST）

可重构微型机器人，受细菌运动方式启发，在电磁场远程控制下，可在人体内运动进行给药或者手术。（图片来源：EPFL/ EPFZ)

涂有血细胞和血小板混合物薄膜的纳米机器人的彩色扫描电镜图像。这种微型机器人可由超声波驱动，在血液中游动，去除有害的细菌及其产生的毒素。（图片来源：Esteban-Fernández de Ávila/Science Robotics）

微型飞行机器人 RoboBee 既可以游泳，也可以飞行。（图片来源: 哈佛大学微型机器人实验室 / 工程和应用科学学院）

由激光供电的无线飞行机器人RoboFly （图片来源: Mark Stone / 华盛顿大学）

微型机器人采用液晶弹性体技术，可模仿毛虫步态。15毫米长的软体机器人，从绿色光线上吸收能量，通过空间调制的激光射线控制。(图片来源：华沙大学物理学院)

一群微型机器人协作形成“微工厂平台”，就像一大群蚂蚁分工合作，有序地完成任务和制造产品。（图片来源：斯坦福国际研究所 ）

创新

今天，笔者要为大家介绍的是由美国佐治亚理工学院研究人员们创造的一种新型微型3D打印机器人。

1美分硬币旁的微型刷毛机器人（图片来源：Allison Carter/佐治亚理工学院）

它利用来自压电致动器、超声波源，甚至是小型扬声器的振动来运动。一群“微型刷毛机器人（micro-bristle-bots）”可以一起工作来感知环境变化、移动材料，或者未来修复人体内的损伤。

一篇描述微型刷毛机器人的论文已经发表在《微机械与微工程期刊（Journal of Micromechanics and Microengineering）》上。这项研究得到了佐治亚理工学院电子与纳米技术研究所种子基金的资助。

研究团队成员包括佐治亚理工学院电气与计算机工程学院助理教授阿扎德·安萨里（Azadeh Ansari）、乔治·W·伍德拉夫机械工程学院副教授上田俊（Jun Ueda）以及研究生金德宇（DeaGyu Kim）与郝志坚 (Chris Hao)。

阿扎德·安萨里、金德宇、郝志坚在实验室中，他们背后的测试室用于测试微型刷毛机器人（图片来源：Allison Carter/佐治亚理工学院）

技术

根据配置，这些原型机器人可响应不同的振动频率。这样一来，研究人员可通过调整振动来控制单个机器人。这种机器人的长度约为2毫米，大约是世界上最小的蚂蚁的尺寸。尽管这些机器人受制于小尺寸的物理局限性，但是它们仍然可以在一秒钟之内覆盖四倍于其自身长度的区域。

微型刷毛机器人（图片来源：Allison Carter/佐治亚理工学院）

微型刷毛机器人由粘贴在聚合物身体上的压电致动器组成，聚合物身体由双光子聚合光刻（TPP）技术3D打印而成。致动器产生振动，并通过外部供电，因为没有足够小的电池可以安装到机器人身体上。这种振动也可以来自表面下方的压电振动筛（机器人在其上方运动），或者来自超声波/声纳源，甚至来自微型的扬声器。

振动迫使弹力腿向上和向下移动，推动微型机器人前进。每个机器人可以根据腿的尺寸、直径、设计和整体几何形状，被设计用于响应不同的振动频率。振动的幅度控制微型机器人运动的速度。

安萨里解释道：“随着微型刷毛机器人向上和向下移动，通过优化设计像刷毛般的腿，垂直运动被转化为定向运动。微型机器人的腿可以设计成特定的角度，使之可以弯曲以及向着振动的共振响应方向运动。”

微型刷毛机器人是采用TPP工艺在3D打印机中制造而成，TTP工艺聚合了单体树脂材料。树脂块通过化学方法开发成功之后，它的某个部分就会受到紫外线照射，而其余部分会被清洗掉，留下我们要想的机器人结构。

安萨里解释道：“这是一种写入而不是传统光刻。你会得到你用激光在树脂材料上写入的结构。这项工艺目前需要花费相当长的时间，所以我们正在寻找方法来改善它，从而一次制造出成百上千个机器人。”一些机器人有四条腿，另一些则有六条腿。论文第一作者金德宇制造了数百个微型结构来确定理想的配置。

压电致动器采用了锆钛酸铅（PZT）材料，当被施加电压时会产生振动。相反，它也可以在振动时产生电压。当微型刷毛机器人受外部振动驱动时，它可以利用这个功能为所携带的传感器供电。

阿扎德·安萨里、金德宇、郝志坚测试位于测试室中微型刷毛机器人，该测试室含有压电致动器的声音。（图片来源：Allison Carter/佐治亚理工学院）

安萨里及其团队正在通过将两个稍有不同的微型刷毛机器人连接到一起，为机器人增添转向功能。因为每一个连接在一起的微型机器人都会响应不同的振动频率，组合起来就可以根据不同的频率和幅度来实现转向。她说：“一旦你拥有了一个可完全转向的微型机器人，你就可以想象去完成许多有趣的任务。”

安萨里表示，其他研究人员在研究用磁场来产生运动的微型机器人。虽然磁场可用于一次移动一群微型机器人，但是磁力无法轻易地控制集群中的每个机器人。安萨里及其团队创造的微型刷毛机器人被认为是通过振动驱动的最小机器人。

微型刷毛机器人长度约为2毫米，宽度约为1.8毫米，厚度约为0.8毫米，重量约为5毫克。3D打印机可以制造出尺寸更小、重量更轻的机器人。微型设备和表面之间的粘附力可以变得很大。有时，这种微型机器人无法与夹起它们的镊子分开。

安萨里及其团队构造了一个“运动场”，多个微型机器人可以在这个运动场中到处走动。这样一来，研究人员们可以学习到更多关于这些微型机器人可以完成的任务。他们也对开发可以跳跃和游泳的机器人感兴趣。

价值

安萨里表示：“我们正致力于让这项技术变得更耐用，而且我们想到许多潜在的应用。我们正工作在机械、电子、生物和物理的十字路口。这是一个非常富饶的领域，为跨学科概念提供了很大的空间。”

她还表示：“例如，我们可以观察蚂蚁的集体行为，将从蚂蚁身上学到的东西应用到我们的微型机器人上。这些微型刷毛机器人在实验室环境中优雅地走动，但是在它们走入外部世界之前，我们还必须做很多工作。”

关键字

参考资料

【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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