高精密3D打印：未来微型机器人研制的要手段

　　机器人技术是一门迅速发展的高新技术，已经广泛应用于许多领域，对人类社会的影响越来越大。微型机器人是一种具有通用编程能力的小型移动机器人，它集成了微型作业工具和各种微型传感器。机构微机电系统和微驱动器的出现和发展为微型机器人的诞生提供了基础。

　　出生背景

　　微型机器人的出现与微机电系统的发展密不可分。可以说微型机器人是一个可编程的通用微机电系统工程。20世纪80年代后期，随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，微电子、机械和光学的交叉融合推动了MEMS技术的快速发展。

　　和MEMS一样，微机器人和微驱动器的发展也是密切相关的。1987年，加州大学伯克利分校取得了轰动世界的突破性成果。首次研制出转子直径60~120μm的微型静电电机，随后麻省理工学院也研制出100μm的静电电机。

　　发展形势

　　近年来，利用MEMS技术进入狭窄空间的微型卫星、微型飞行器和微型机器人在军事和民用方面都显示出诱人的应用前景和战略意义。日本(三菱电子)公司、松下东京研究所和住友电子。公司许多国家，如)，在这方面进行了大量的研究，重点发展进入工业狭小空间的微型机器人、进入人类狭小空间的医疗微系统和微型工厂。

　　在国家自然科学基金和清华大学863高技术研究发展计划的资助下，上海交大，哈尔滨理工大学，广东理工大学，上海大学和其他科研院所对微型机器人和微型操作系统做了大量的研究，分别开发了原理样机。目前国内对微型机器人的研究主要集中在三个领域:用于检测气体、化工、发电设备小管道的微型机器人；针对人体进入肠道的无创诊疗微型机器人；用于复杂机械系统不拆卸维修的微型机器人。

　　发展瓶颈

　　微型机器人具有结构尺寸小、器件精密、微操作、惯性小、响应快、谐振频率高、附加值高等特点。但是，微型机器人不是简单意义上的普通机器人的小型化，而是集传感、控制、执行、能量于一体的单元，是机械、电子、材料、控制、计算机和生物医学技术的交叉融合。而且，微型机器人的建立需要更小的驱动器、执行器、传感器、处理器等。微机器人微部件的加工和开发将有利于实现更高意义上的微系统集成。然而，传统的加工技术远远不能满足这些微小零件的加工需求，因此研究人员逐渐将目光转向近年来炙手可热的增材制造技术。增材制造，也称为3D打印技术， 摒弃了传统加工技术工艺复杂、成本高、难度大的特点，可以快速灵活地设计出各种复杂结构。而高精度微纳3D打印技术已经成为微型机器人不可或缺的手段。

　　3D打印技术在微型机器人中的应用

　　2019年4月，多伦多大学的微型机器人实验室在ScienceRobotics上发表了一篇关于3D打印微型机器人的文章。研究人员将钕粒子嵌入柔性材料中，通过3D打印技术设计了20多种不同形状的磁性机器人结构。研究人员使用一对强大的磁铁来反转机器人特定部位的钕的极性，使它们在磁场中相互排斥和吸引，并通过紫外线辐射将这些磁性粒子锁定在相应的位置。通过特定的编程程序，控制微型机器人不同部位的极性，实现爬行、爬行、滚动、收缩的运动效果。

　　目前，大多数微型机器人仍处于实验室或原型开发阶段。所以我们现在看到的微型机器人虽然比较简单，但是也能执行一些基本的操作指令，离实用化还有一段距离。未来，随着技术的发展，将会出现各种复杂的三维微型机器人，它们可以在各种复杂的环境中工作。与此同时，迫切需要一种更加精密和精细的加工技术。下图是深圳魔方材料技术有限公司陶瓷3D打印机加工的微型齿轮，最小细节为0.092毫米..

　　(BMFmicroArchS240陶瓷3D打印机加工的微型齿轮，最小细节可达0.092mm)

　　一般来说，微型机器人的整体尺寸小于100mm，细节尺寸可以达到微米甚至纳米级，对加工精度和自由度要求极高。传统的数控加工工艺价格昂贵，柔性低，一般适合加工大型零件。但MEMS加工工艺复杂，垂直加工受限，适合二维加工。而3D打印技术作为一种快速发展的制造技术，具有低成本、高效率、加工成型一体化的特点。虽然材料一直是3D打印的技术难点之一，但研究人员已经逐渐开发出一些功能材料，比如掺杂磁粉颗粒来增强磁性。而且我们还可以通过后期的表面处理来弥补材料的不足，比如表面金属化，溅射镀膜， 模具周转等过程。

　　目前能够实现高精度3D打印的工艺屈指可数，面投影微立体光刻的PμSL工艺就是其中之一。该过程基于深圳魔方材料技术有限公司作为代表，已开发出多种型号，并商业化生产，为国内外多家大型。公司提供高精度加工解决方案。下图显示了公司10um精密设备NanoArchS140，通过在高强度、高韧性树脂中掺杂20%质量比的磁粉颗粒，具有磁性抓手和磁性弹簧阵列结构。

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