哈工大團隊打造“六邊形戰士”，微納操控機器人中的“全能選手”

隨著探索微觀世界步伐的不斷加快，操作物件的尺寸從細胞水平縮小到了分子、原子水平，操作任務也從觀測升級到了改造。在這一過程中，微納操控機器人發揮著極其重要的作用，其主流驅動方式包括電磁、靜電、電熱、壓電等。儘管有為數眾多的研究成果或商業產品不斷湧現，但是它們均面臨一個嚴峻的挑戰——

無法實現高精度、大行程、強承載和多自由度在單一機器人上的兼顧。

這意味著必須設計完全不同的機器人來滿足各種各樣的應用需求，極大地增加了研製成本，也限制了微納操控機器人的應用範圍。

圖1 | 電磁、靜電、電熱、壓電驅動型微納操控機器人舉例

針對該項難題，

哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室的劉英想教授團隊在Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上發表了題為《面向高效能微納操控的仿生多足壓電機器人設計思想》

（Bioinspired Multilegged Piezoelectric Robot： The Design PhilosophyAiming at High-Performance Micromanipulation）的學術論文，提出了一種全新的微納操控機器人設計理念，以一種通用且有效的方式實現了多種效能指標在單一壓電機器人上的兼顧，打造出了微納操控機器人中的“全能選手”。

圖2 | 微納操控機器人在細胞手術中的應用

在該項研究工作中，研究人員受自然界中多足動物具備極佳的環境適應性啟發，根據它們的身體構造和運動模式，提煉總結出

“運動功能模組”、“多單元協同作業”和“多模式融合”三個本質特徵，

並以此為基礎提出了一種面向多維跨尺度操控的壓電機器人的設計理念。具體而言，模仿多足動物強壯而敏捷的腿設計了具備多自由度運動能力的壓電精密驅動腿，模仿多足動物多腿配合的運動方式將多個驅動腿以特定的拓撲結構組合來實現各種自由度的運動需求，模仿多足動物的多種運動模式規劃了擺動、滑移、行走三種運動步態，在不同的運動階段使用相匹配的步態來實現多種效能指標的兼顧。

圖3 | 自然界中的多足動物：設計理念的靈感來源

為了以實驗的方式驗證該設計理念的有效性和正確性，研究人員設計了一種壓電精密驅動腿，並組裝成一個六足壓電機器人，對其進行效能測試。實驗結果表明，與現有的研究成果或商業產品相比，

該機器人在精度、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勢和進步，

堪稱微納操控機器人中的“六邊形戰士”。

圖4 | 六足壓電機器人與已有研究成果或商業產品的效能對比

▍功能模組設計

與多足動物敏捷而強壯的腿足相似，研究人員

設計了一種三自由度壓電精密驅動腿，

作為壓電機器人的基礎功能模組。該壓電精密驅動腿包含一組壓電伸縮疊堆和一組壓電彎曲疊堆，在激勵電壓的作用下其末端可以輸出三自由度的精密運動。透過調整激勵訊號，能夠合成空間中任意運動軌跡，來實現對壓電機器人整體的驅動效果。

圖5 | 壓電精密驅動腿的結構設計

圖6 | 壓電精密驅動腿的三自由度變形

圖7 | 壓電精密驅動腿的空間軌跡合成運動

▍多單元協同作業

雖然壓電驅動腿具備三自由度精密運動的能力，但是它的運動行程過小，且運動形式單一。為了實現多種效能指標在單一機器人上的兼顧，研究人員模仿多足動物的身體構造，

將六個相同的壓電驅動腿按照特定的拓撲結構組合形成了一個六足壓電機器人，

調整六個驅動腿的軌跡與時序相互配合就可以使壓電機器人以不同的方式實現運動輸出。

圖8 | 六足壓電機器人的裝配流程

圖9 | 六足壓電機器人的三維結構與實物照片

▍多模式融合驅動

自然界的多足動物採用多樣化的步態來適應不同的環境需求，研究人員也為六足壓電機器人

設計了擺動、滑移、行走三種運動步態來適應各種變化的應用條件。

其中，擺動步態用於在小範圍內輸出超高精度的運動，這種步態具有空間中六個自由度，儘管其運動行程只能達到幾十微米或幾百微弧度的量級，但是其運動分辨力高達4nm或0。2μrad，即便是開環條件下的重複性精度也優於0。1μm或7μrad。為了實現更大的運動行程，基於步進累積原理的滑移步態可以將平面內三自由度的運動行程擴充套件至無限，而且這種步態的激勵方法十分簡單，最大運動速度可達1。89mm/s，適用於輕載大行程的應用需求。而在需要強大承載能力的應用中，行走步態便可以大顯身手，這種步態同樣可以實現平面內三自由度的無限行程，不過最令人矚目的還是其強大的承載能力——當負載從零變化至10kg時，其速度波動最大不超過10%。這也就意味著該機器人憑藉自身0。45kg的重量，可以穩定驅動超過22倍自重的負載。

圖10 | 六足壓電機器人擺動步態的運動原理

圖11 | 六足壓電機器人滑移步態的運動原理

圖12 | 六足壓電機器人行走步態的運動原理

這三種步態在結構上協調統一，在運動輸出區間上優勢互補。因此，將它們整合到同一機器人上並在特定的條件下使用相匹配的步態，就可以實現多種效能指標在單一機器人上的兼顧。具體而言，當機器人的實際位置距離目標位置較遠時使用滑移步態或行走步態逐步靠近目標位置，當位置誤差減小後則切換到擺動步態來進一步提高定位精度。在輕載條件下，可以使用滑移步態與擺動步態的組合來簡化激勵方法；在過載條件下則使用行走步態與擺動步態的組合來追求更加穩定的運動輸出。實驗結果表明，透過這三種運動步態的實時切換，六足壓電機器人可以在毫米級的範圍內實現5nm的閉環定位精度，

具備了在不同載荷下實現多維跨尺度運動輸出的能力。

圖13 | 多模式融合控制策略與閉環運動實驗結果

▍應用拓展與發展前景

憑藉優異的多維跨尺度運動能力，研究人員還嘗試以視覺控制的方式將該機器人應用於

多細胞的批次自動化操作

中，實現了蝦卵細胞和神經細胞在顯微操作針下的精準定位，取得了令人滿意的實驗效果。藉助於原子力顯微鏡等工具，該機器人還可以應用於

超精密加工中以實現微觀結構的塑造。

除此之外，研究人員還指出，儘管在此研究工作中，六足壓電機器人是進行實驗研究的主要物件，但是這並不意味著所提出的設計思想只適用於該型別的壓電機器人。恰恰相反，

這種設計思想具有極好的普適應和遷移性，

將壓電驅動腿進行並按照所需要的拓撲結構組合，就能夠以簡單便捷的方式構建出具有不同功能的微納操控壓電機器人。憑藉這種設計理念，甚至有可能研製成一系列的微納操控機器人家族，進而構成一整套集定位、觀測、操作於一體的微納操控系統，來滿足各種高效能的微納操控需求。

圖14 | 壓電機器人應用於蝦卵細胞和神經細胞的精準定位與操作

圖15 | 壓電機器人應用於超精密加工和微納操控系統

研究人員表示，這項研究工作中所提出的設計思想不僅僅豐富了微納操控機器人的設計理論，可以為微納操控領域的研究起到一定的參考和啟發作用，而且還能將實際應用中的微納操控效率進一步提高，助推生命科學、材料科學、微納製造等領域的發展。