高精密3D打印:未來微型機器人研制的重要手段

機器人技術是一門快速發展的高新技術，在許多領域得到了日益廣泛的應用，并對人類社會產生著日益重大的影響。微型機器人（Micro-Robotics）是指集成了微型作業工具、各種微小型傳感器，具有通用編程能力的小型移動機構，而微機電系統和微驅動器的出現和發展為微型機器人的誕生提供基礎。

誕生背景

       微型機器人出現是和微機電系統(MEMS)的發展是分不開的，可以說微型機器人就是可編程通用的微型機電系統工程。20世紀80年代后期，隨著大規模和超大規模集成電路的迅速發展，微電子技術與機械、光學等學科的交叉融合促進了MEMS技術的迅速發展。

和微機電系統一樣，微型機器人的發展和微驅動器的發展也是緊密相關的。1987年美國加州大學伯克利分校取得一項轟動的突破性成就，首.次研制出了轉子直徑為60~120μm的微型靜電動機，隨后MIT也研制出了100μm的靜電動機。

發展現狀

近年來, 采用MEMS 技術的微型衛星、微型飛行器和進入狹窄空間的微機器人展示了誘人的應用前景和軍民兩用的戰略意義。以日本(三菱電子公司、松下東京研究所和Sumitomo電子公司等)為代表的許多國家在這方面開展了大量研究，重點發展進入工業狹窄空間微機器人、進入人體狹窄空間醫療微系統和微型工廠。

在國家自然科學基金、863高技術研究發展計劃等的資助下, 清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、廣東工業大學、上海大學等科研院所針對微型機器人和微操作系統進行了大量研究，并分別研制了原理樣機。目前國內對微型機器人的研究主要集中在三個領域：面向煤氣、化工、發電設備細小管道探測的微型機器人；針對人體、進入腸道的無創診療微型機器人；面向復雜機械系統非拆卸檢修的微型機器人。

發展瓶頸

微型機器人結構尺寸微小，器件精密，可進行微細操作，具有小慣性、快速響應、高諧振頻率、高附加值等特點。然而微型機器人并不是簡單意義上普通機器人的微小化，而是集成有傳感、控制、執行和能量的單元，是機械、電子、材料、控制、計算機和生物醫學等多學科技術的交叉融合。而且建立微型機器人需要更為微小的驅動器、執行器、傳感器、處理器等，由此展開的對微型機器人微部件的加工和研制，將有利于實現更高意義上的微系統集成。然而，傳統的加工工藝遠遠滿足不了這些微小部件加工需求，因此研究人員將目光逐步轉移到近些年來非常火熱的增材制造工藝。增材制造又稱3D打印技術，它摒棄了傳統加工工藝過程復雜、成本高、難度大等特點，能夠快速、靈活設計各種復雜結構。而高精密微納3D打印技術又成為微型機器人*的手段。

3D打印技術在微型機器人的應用

2019年4月，多倫多大學微型機器人實驗室在《Science Robotics》刊登了一篇關于3D打印微型機器人的文章。研究人員將磁性元素釹的顆粒嵌入到柔性材料中，并通過3D打印技術設計二十多種不同形狀的磁性機器人結構。研究人員使用一對強力的磁鐵來翻轉機器人特定部位釹的極性，使它們在磁場中發生排斥和吸引作用，并通過紫外線照射將這些磁性粒子鎖定在相應的位置。通過特定的編程程序，控制微型機器人不同部位的極性，使其達到爬行、蠕動、翻滾、收縮等運動效果。

現階段，微型機器人大多還處于實驗室或原型開發階段，因此，現在所見到的微型機器人較為簡單，但同時也能執行一些基本的操作指令，離實用化還有相當長的距離。未來隨著技術的發展，會出現各種復雜三維的微型機器人，并且能夠在各種復雜環境中作業。這同時亟需一種更為精密微細的加工工藝。下圖是深圳摩方材料科技有限公司利用陶瓷3D打印機加工的微型齒輪，最小細節0.092mm。

( BMF microArch S240陶瓷3D打印機加工的微型齒輪，最小細節可達0.092mm )

一般而言，微型機器人整體尺寸不超過100mm，細節尺寸可以達到微米甚至納米級別，這就對加工精度和自由度提出*要求。傳統的CNC加工工藝成本昂貴，靈活度低，一般適合大零部件的加工。而MEMS加工工藝過程復雜，垂直方向加工受限，適合二維加工。而3D打印技術，作為當前發展非常迅速的制造工藝，具有低成本、高效率、一體化加工成型的特點。雖然一直以來材料是3D打印技術難點之一，研究人員逐步開發一些功能性材料，比如摻雜磁性粉末顆粒增強磁性。并且也可以通過后期表面處理來彌補材料方面的不足，比如表面金屬化、濺射鍍膜、翻模等工藝。

目前，能夠實現高精度3D打印的工藝屈.指.可.數，其中面投影微立體光刻（PμSL）工藝是其中之一。該工藝以深圳摩方材料科技有限公司為代表，已經研發出多款型號機型，并且實現商業化生產，為國內外多個大型公司提供高精密加工方案。下圖是該公司10um精度設備nanoArch S140通過在高強度韌性樹脂中摻雜磁性粉末顆粒（質量比20%）加工的磁性抓手以及磁性彈簧陣列結構。

( 磁性抓手，最小壁厚可達0.070mm )

( 磁性彈簧陣列，最小線徑可達0.099mm )

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