微型“犀牛甲虫”机器人在极端条件下进行微尺度操作

快速阅读: 《科技探索》消息，工程师研发了一款手掌大小、无线自主的精密机器人“全方位甲虫3型”（HB-3），能在狭小空间内进行超高精度操作。HB-3结合压电致动器与自主技术，可在纳米材料操作、细胞操作及芯片装配等任务中发挥作用。相关论文发表在《先进智能系统》期刊上，该机器人在多项测试中表现出色。未来研究将提升速度和精度，并探索多角度摄像头集成。

手掌大小的无线自主全方位精密机器人，适用于狭小空间的多功能任务。图片来源：横滨国立大学

工程师设计了一种小巧、轻量且无线的机器人，它能够在极端条件下独立并以超高精度在所有方向上操作。设计师将其称为“全方位甲虫3型”（或HB-3），灵感来源于犀牛甲虫的运动和解剖结构。该机器人结合了压电致动器与自主技术，使微尺度操作任务成为可能，这些任务以前超出了机器人的能力范围。HB-3解决了各个行业对多尺度精确操作的需求，包括实验室自动化、医疗程序和科学研究等，特别是在纳米材料和细胞操作到芯片组件装配等领域，人类存在受限或不可能的情况下。这在真空、清洁、气流和生物危害安全舱中尤为重要。

一篇描述该机器人设计和功能的论文于1月26日发表在《先进智能系统》期刊上。近年来，自主（无线）机器人已在多个工业领域、灾害现场、医疗领域以及人类无法进入的极端环境或狭小空间中得到实际应用。同时，各种设备内部电子元件的微型化也在迅速推进，包括厚度仅为几微米的微电池和微型超级电容器的发展。然而，与这些微小零件相比，传统的定位装置仍然笨重且沉重，因此在能源和空间效率方面有很大的改进空间。即使驱动电路和电池变得很小，它们的活动范围和自由度仍然受到高度限制。

物体通过机器学习识别，并被拾取和放置，确保其位置和方向在规定的阈值内。图片来源：《先进智能系统》（2025年）。DOI: 10.1002/aisy.202400872

为了解决这些问题，开发了多种精密致动器——基本上是机器人的“肌肉”，将能量（电能、液压或气动）转换成运动——以改善这些定位装置。特别是压电致动器显示出巨大的潜力。压电材料如石英手表中的石英或合成陶瓷如PZT（锆钛酸铅）在受到机械压力（本质上是一个推力或挤压）时会产生电荷。它们还具有反向效应：当施加电场时会变形。这种压电特性允许通过响应非常精确定义的电信号（通常在纳米级）来实现超细运动。

然而，尽管已经开发了许多小型机器人和夹爪，但直到现在还没有移动微操作器将压电致动技术集成在一起，同时保持自主性和无线性，并适应现实世界的应用。HB-3的核心设计在于其紧凑、轻量的结构——仅重515克，尺寸仅为10立方厘米。使用单板计算机的集成驱动电路消除了团队先前研究中由电源线引起的诸多问题。HB-3还配备了内置摄像头，并使用机器学习算法执行任务，使其能够实时调整动作，这是之前微操作器所不具备的功能。

在严格的测试中，HB-3展示了在狭小隔离环境中使用不同工具（如精确镊子拾取和放置芯片部件或注射器施加微小液滴）时的出色表现，在x轴上的平均定位精度为0.08毫米，在y轴上的平均定位精度为0.16毫米，87%的任务被认为成功完成。这些工具可以灵活地转换为测量探针、烙铁、螺丝刀和其他精密仪器，从米到纳米的不同尺度上。

实验设置和结果：自主拾取和放置操作。A) 实验设置。B) 目标物体和目标点的初始位置。C) 放置误差分布，在每个初始位置（A、B和C）测试五次，误差条表示样本标准差。D) 角度误差分析。E) 操作时间分解。图片来源：《先进智能系统》（2025年）。DOI: 10.1002/aisy.202400872

“我们已经能够突破微型化的极限，创造了一个真正自主且无线的设备，可以在狭窄、危险的空间中运行。”横滨国立大学工程学院副教授、该小型机器背后的工程师之一布木井大说，“HB-3不仅可以处理复杂任务，而且能够做到前所未有的精确。”

尽管如此，团队仍希望进一步完善他们的小甲虫。他们认为HB-3的处理速度，依赖于Raspberry Pi CPU，可以提高，机器人检测物体所需的时间也可以减少，也许可以通过将物体检测任务交给外部高性能计算机来实现。未来，研究人员还计划提高其速度和精度，并探索内部侧视和顶视摄像头的集成，以提高z轴定位精度。

更多信息：木下良祐等人，《用于在孤立狭小空间中进行操作的无线自主全方位移动微操作器》，《先进智能系统》（2025年）。DOI: 10.1002/aisy.202400872

信息来源：横滨国立大学官网

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