微纳机器人关键技术及应用——“中国智能制造科技进展”案例展示

　　纳米技术的迅猛发展，研究对象不断向微细化发展◆★■，对微小零件进行加工调整、成本检查、微机电系统（MEMS）的装配作业等工作都需要微操作机器人的参与★■◆■。在自适应光学、光纤对接、医学、生物学■★，特别是动植物基因工程、农产品改良育种等领域，需要完成注入细胞融合、微细手术等精细操作◆■◆★★，都离不开高精度的微操作机器人系统。由于纳米尺度操作对象具有与宏观物体不同的特性★◆，尤其是受到尺度效应、表面效应、体积效应的影响★◆，并且纳米操作环境具有多变性★■★，导致实现高效、准确■★★■■★、稳定的复杂操作仍然是纳米操作领域的一大难题◆■★◆。要实现纳米结构电子芯片制造的工业应用，需要解决纳米材料（如碳纳米管）的高效可靠组装等问题。要实现纳米器件在三维空间内的复杂稳定操作，需要通过多操作手协同控制，采用高效组装与操作的智能控制策略进行三维互连与器件组装，是纳米器件实现功能化★■■★、产品化的重要环节和关键技术★◆■。微纳操作技术可提供全新视角和颠覆性的研究方法与手段，纳米结构和★◆“纳－微－介观－宏观■◆■■”跨尺度装置的连接、装配和集成技术被列为美国Manufacturing the Future中纳米制造部分的重点发展的方向靶向微纳机器人2021年被Science列为125个国际科学前沿之一，是美国《出口管制改革法案》管制的前沿技术。

　　2017-2023年，中国科协智能制造学会联合体（IMAC）连续开展“中国智能制造科技进展案例研究”■★，共遴选出70项“中国智能制造科技进展”案例。成果领域涵盖高档数控机床与基础制造装备、工业机器人◆■★◆、汽车、航空航天◆■◆★、新一代信息技术、纺织、轨道交通、船舶及海工装备、能源装备、工程机械■★■、农业机械、纺织、建筑焊接等制造业重点领域；技术领域涉及工业物联网平台、大数据管理系统、人工智能技术在工厂应用、智能制造设备◆■◆◆◆、柔性智能制造产线、云制造系统★■、智能工厂■★◆■◆★、大规模定制平台等。

　　进入21世纪■★◆◆◆，智能制造作为新一代信息技术与先进制造技术深度融合的新型生产方式■◆★■■，已然成为新一轮工业革命的核心驱动力。从自动化生产线到智能机器人，从大数据分析到物联网技术，从机器学习到人工智能的运用，智能制造正在不断推进传统制造业进入一个更加智能★◆、高效■★■★、可持续的制造新时代■◆◆◆■■。

　　近期，我们将展示智能制造的科技成果和创新应用，感受智能制造带给制造业的变革与创新。

　　微纳机器人的研究和发展在科学发展上将具有重大的影响和意义，不但提出了全新的机器人发展思想，指出下一代机器人发展的方向，促进机器人学的发展★◆★◆◆，为微纳制造★■◆■◆、生物医学等领域提供变革性的研究方法与实现手段。随着微电子技术 、生物技术的发展■■■◆★■, 微装配和微操作技术将日益显示其重要性■◆◆◆★■。微装配和微操作技术得到了长足的发展◆■◆★■。本项科技进展的进一步开发和推广应用，将完善微纳机器人研究的方法、技术和工具，丰富微纳机器人的研究内容和技术理论◆■■，促进和扩展微纳机器人技术的应用范围■◆。微纳机器人的研究会极大促进其他学科的发展■★■◆。在未来可以融合微电子■■★◆、材料◆◆、精密机械、精密测量、自动控制、机器人★■★、计算机等多学科技术来解决微观领域的问题，有赖于这些学科的发展水平，因此微纳机器人的研究会促使这些相关学科的研究人员开启新的思路，为其科研工作提供新的研究内容，从而成为相关科学发展的发动机。

　　微纳机器人是特征尺寸和/或功能尺寸在亚毫米以下的机器人■■★★，分为微纳操作机器人与微纳尺度机器人★★◆■◆◆，为微纳制造■★★◆■、生物医学等领域提供变革性的研究方法与实现手段。微纳机器人是微纳米技术的集大成者◆◆◆★，是机器人技术在微观尺度的延伸，融合了物理★◆★、化学、材料学、生物学■◆■■■◆、机械学、信息学、控制学等多学科前沿研究。微纳机器人在信息产业集成电路（Integrated Circuit, IC）/纳米机电系统（Nano-electromechanical System◆■■◆■, NEMS）制造与检测◆◆★■★、微纳米制造，亚细胞级的细胞建模和多特性检测，推动转基因、克隆等细胞★■◆■，超微病情诊断，血管堵塞疏通，癌细胞清除，精准药物输送等方面具有重大科学意义和广阔应用前景★■。

　　原标题：《微纳机器人关键技术及应用——“中国智能制造科技进展”案例展示》

　　本成果面向纳米器件的制造与检测，纳米材料的表征与评价等重大科学技术需求，提出了基于尺蠖◆★■★■、粘滑、宏微双重驱动的跨尺度柔顺精密定位机构设计与驱控理论基于与粘滑/振动相结合的新型复合驱动方法，针对粘滑运动阶段摩擦力方向相反的特点■★◆★，对接触界面进行主动调控, 实现界面摩擦力各向异性，提高跨尺度精密运动的保持力和稳定性◆■★★◆,有效提高跨尺度精密运动的步距和速度◆■◆■◆★,发明了多自由度并联微动机构◆◆■★■、宏微双重驱动并联机构，实现了厘米级行程、纳米级定位精度；提出了表界面纳米力学宽频域动态测试力学方法，解决了高频、宽模量测量难题■★★◆◆,为微纳机器人驱动与感知奠定了科学基础与理论依据■★★。深入研究了接触界面结构和几何特征对接触特性的影分析跨尺度★■★◆■■、多介质◆★、多维度纳米结构间的粘着规律，突破了微观尺度下精准操控的难题建立具有高鲁棒性的粘着模型。设计了夹持、检测■■◆■◆、释放一体化的新型微纳操作工具◆◆★★★■，实现了靶球■★★◆、微纳芯片、碳纳米管等对象的精确操控提出了多能场耦合微纳机器人驱动方法■◆◆■，构建了场控微纳机器人的群体控制方法；开发了基于电子固体交互作用机理的蒙特卡洛模拟方法★■◆◆★，模拟生成的二次电子图像与背散射电子图像，为图像降噪与三维重建提供基准图像；提出了基于SEM二次电子图像灰度信息的微纳样品三维重建和测量方法，提高了纳操作的效率和精度◆■★。提出了基于高精度实时视觉反馈的多纳米机器人协同操作方法。基于视觉反馈信息，建立操作环境、任务与纳米操作机器人系统的映射关系，提出了视觉实时闭环下的多纳米机器人协同运动策略自动选择方法，提高多纳米机器人协同操作的控制品质与速度。突破了微纳制造中三维组装◆■、纳米互连、原位检测关键技术，研制了研制出具有21个自由度的扫描电子显微镜内纳米操作机器人系统。为微纳制造与生命科学提供了技术与装备支持。已在苏州朗开医疗技术有限公司、山东赛米精密仪器有限公司及苏州赛米维尔智能装备有限公司得到应用，取得显著的经济效益和重要的社会效益。该成果技术难度大、创新性强，开发出具有自主知识产权的纳操作机器人系统，总体技术达到国际先进水平，其中在SEM显微视觉伺服控制与粘滑定位驱动技术方面处于国际领先■★★。