哈工大团队打造“六边形战士”，微纳操控机器人中的“全能选手”！

随着人类对微观世界的探索步伐不断加快，我们的操作对象已经从细胞水平缩小到了分子、原子水平，操作任务也从单纯的观测升级到了改造。在这一进程中，微纳操控机器人发挥着至关重要的作用。它们的主流驱动方式包括电磁、静电、电热和压电等。现有的微纳操控机器人面临着多方面的挑战，如无法实现高精度、大行程、强承载和多自由度在单一机器人上的兼顾。这不仅使得需要设计多种不同的机器人来满足各种应用需求，还极大地增加了研制成本，限制了微纳操控机器人的应用范围。

针对这一难题，哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的刘英想教授团队提出了创新的解决方案。在Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上发表的一篇论文中，他们提出了一种全新的微纳操控机器人设计理念。这种设计理念借鉴了自然界中多足动物的环境适应性，根据它们的身体构造和运动模式，提炼出三个核心特征：运动功能模块、多单元协同作业和多模式融合。基于这些特征，设计出一种面向多维跨尺度操控的压电机器人。

这种新型机器人的设计理念，能够以一种通用且有效的方式实现多种性能指标在单一压电机器人上的融合。具体来说，通过模仿多足动物的强壮而敏捷的腿，设计出具备多自由度运动能力的压电精密驱动腿。通过模仿多足动物多腿配合的运动方式，将多个驱动腿以特定的拓扑结构组合起来，实现各种自由度的运动需求。还模仿多足动物的多种运动模式，规划了摆动、滑移、行走三种运动步态。在不同的运动阶段，使用相匹配的步态来实现多种性能指标的平衡。

图4揭示：六足压电机器人与领先研究成果及商业产品的性能对比

在探索先进机器人技术时，研究人员汲取自然界的灵感，设计了一种独特的六足压电机器人。让我们深入了解其功能模块设计的魅力。

设计的核心是一种三自由度的压电精密驱动腿，它的结构与多足动物的敏捷腿足颇为相似。这种驱动腿集成了压电伸缩叠堆和压电弯曲叠堆，能在激励电压的作用下输出精密的三自由度运动。通过调整激励信号，机器人可以合成任何空间轨迹，实现全方位的驱动效果。这一设计不仅保证了运动的精准性，还赋予了机器人高度的灵活性。

虽然单个压电驱动腿的运动行程有限，形式也相对单一，但研究人员通过多单元协同作业的方式解决了这一问题。他们将六个相同的驱动腿按照特定的拓扑结构组合，形成了一个六足压电机器人。通过调整各个驱动腿的轨迹和时序，机器人能够以不同的方式实现运动输出，展现了其出色的多任务处理能力。

更令人赞叹的是六足压电机器人的多模式融合驱动系统。研究人员为机器人设计了摆动、滑移、行走三种运动步态，使其能够适应各种变化的应用条件。其中，摆动步态能够在小范围内输出超高精度的运动，其运动分辨力高达惊人的4nm或0.2μrad，重复性精度优于0.1μm或7μrad。而滑移步态则基于步进累积原理，能够将平面内的三自由度运动行程扩展至无限，最大运动速度可达1.89mm/s，非常适合轻载大行程的任务。

图5至图9展示了压电精密驱动腿的结构设计、三自由度变形、空间轨迹合成运动以及六足压电机器人的装配流程和三维结构与实物照片。这些图片不仅为我们提供了机器人的直观形象，也让我们对其工作原理有了更深入的了解。

这款六足压电机器人是研究人员对自然界多足动物的深入观察与智能模仿的结晶。它不仅在性能上表现出色，而且在设计上充满创新，展现了人类对机器人技术的精湛掌握和对未来的无限憧憬。我们见证了一种六足压电机器人的卓越表现。这款机器人凭借其独特的行走步态，展现了惊人的承载能力，即使负载从0变化至10kg，其速度波动也保持在最大不超过1%。它的重量仅为0.45kg，却能稳定驱动超过自身重量22倍的负载，这无疑是一项了不起的技术成就。

图10至图13为我们揭示了这款机器人的三大步态：摆动步态、滑移步态和行走步态。这些步态在结构上协调统一，各自在运动输出区间上拥有独特的优势。当机器人需要精确到达目标位置时，滑移步态和行走步态能够帮助机器人逐步靠近目标，而当位置误差减小时，摆动步态则能大幅提高定位精度。在不同的载荷条件下，机器人可以灵活切换步态以实现最佳的运动输出。

除了强大的承载能力，这款六足压电机器人在实际应用中也展现出了巨大的潜力。通过视觉控制，它已成功应用于多细胞的批量自动化操作中，实现了虾卵细胞和神经细胞的精准定位。借助原子力显微镜等工具，这款机器人还能进行超精密加工，塑造微观结构。这种设计理念具有良好的普适应和迁移性，通过简单组合压电驱动腿，可以构建出具有不同功能的微纳操控压电机器人。这一创新设计理念有望推动微纳操控机器人家族的发展，构建集定位、观测、操作于一体的微纳操控系统，以满足各种高性能的微纳操控需求。

研究人员表示，这项研究不仅丰富了微纳操控机器人的设计理论，还为微纳操控领域的研究提供了宝贵的参考和启发。它有望进一步提高微纳操控效率，助推生命科学、材料科学、微纳制造等领域的发展。随着技术的不断进步和创新思维的不断推动，我们期待这款机器人在未来能够创造出更多的技术奇迹。图14和图15展示了压电机器人在精准定位和超精密加工等领域的应用实例，展示了其在实际操作中的出色表现。