在顯微手術(shù)、細(xì)胞操作和微裝配等領(lǐng)域，利用微型機(jī)器人，進(jìn)行細(xì)胞注射、細(xì)胞特性分析、物體抓取等微小物體精細(xì)處理的微操作技術(shù)被廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)微操作機(jī)器人多為金屬材質(zhì)由電機(jī)或壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，雖精度高但體積大且難以小型化。折紙微操作機(jī)器人，利用層壓技術(shù)，通過折疊可以將二維材料轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，其精度、速度和靈活性優(yōu)異，在微操作應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

然而，折紙機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)也帶來剛度不足的問題，這不僅限制了額外傳感器的安裝，同時(shí)也帶來了在接觸操作中執(zhí)行能力的下降。此外，多數(shù)折紙微操作機(jī)器人的支鏈數(shù)量不超過三個(gè)，其移動(dòng)受限為三個(gè)自由度，這嚴(yán)重限制了其在復(fù)雜任務(wù)中的應(yīng)用。雖然增加支鏈數(shù)量可提升并聯(lián)微型機(jī)器人的剛度和移動(dòng)性，但也會(huì)顯著增加折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度和折疊組裝過程的復(fù)雜性。

▍研發(fā)微型并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞級(jí)操作

面對(duì)以上挑戰(zhàn)，來自浙江大學(xué)曲紹興教授團(tuán)隊(duì)的研究人員進(jìn)行了深入研究，并成功研發(fā)出一款4自由度（4-DoF）、重量?jī)H2.48g（不包括電機(jī)）的微型并聯(lián)機(jī)器人Micro-X4。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜折紙并聯(lián)機(jī)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)提出了“拆分和拼接”策略。該策略通過將復(fù)雜的并聯(lián)機(jī)構(gòu)分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的子結(jié)構(gòu)，分別制造后再進(jìn)行精確拼接，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜閉環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的快速、高效制造。該方法不僅解決了復(fù)雜構(gòu)型的微型化，還為其在各類微操作任務(wù)中的穩(wěn)定執(zhí)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還證明了該方法在通過SCM方法制造各種類型的閉環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的通用性，為微型并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造提供了新的思路。

在控制方面，研究團(tuán)隊(duì)充分考慮了折紙結(jié)構(gòu)的獨(dú)特特點(diǎn)，提出了與之相匹配的解析運(yùn)動(dòng)學(xué)解。這一解決方案不僅確保了Micro-X4在微操作過程中的高精度定位，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制。通過這一創(chuàng)新控制策略，Micro-X4能夠輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜微操作任務(wù)，展現(xiàn)出極高的靈活性和穩(wěn)定性。

與當(dāng)前最先進(jìn)的折紙微操作機(jī)器人相比，Micro-X4在性能上實(shí)現(xiàn)了全面超越。其756立方毫米大工作空間為微操作提供了更廣闊的操作范圍；346納米高精度確保了操作過程中的細(xì)微控制；2738牛頓/米高剛度則保證了機(jī)器人在接觸操作中的穩(wěn)定性和可靠性。這些卓越性能使得Micro-X4能夠滿足從組織尺度到亞細(xì)胞尺度的各種微操作需求。

為了充分驗(yàn)證Micro-X4的實(shí)際應(yīng)用效果，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列微操作實(shí)驗(yàn)。從圖案切割到細(xì)胞定位和穿刺，再到細(xì)胞切割和插入，Micro-X4均展現(xiàn)出了出色的操作能力和精度。特別是在細(xì)胞操作和穿刺任務(wù)中，通過集成接觸力測(cè)量技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)操作過程的精確控制，進(jìn)一步證明了Micro-X4在微操作領(lǐng)域的巨大潛力。

目前，該研究成果的相關(guān)論文已以“Miniature origami robot for various biological micromanipulations”為題發(fā)表在Nature Communications上，論文的共同第一作者為浙江大學(xué)博士生馮博、博士劉一得（浙江大學(xué)博士畢業(yè)、現(xiàn)清華大學(xué)博士后）和博士生張佳航。論文的共同通訊作者為劉一得博士和曲紹興教授，作者還包括浙江大學(xué)楊衛(wèi)院士。

那么，Micro-X4具體是如何制作的呢？接下來和機(jī)器人大講堂一起深入了解～

▍微型并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)揭秘，多自由度精密微操系統(tǒng)如何構(gòu)建

從結(jié)構(gòu)與組成來看，Micro-X4微型并聯(lián)機(jī)器人主要由一個(gè)具備四個(gè)支鏈的折紙并聯(lián)機(jī)構(gòu)、一個(gè)穩(wěn)固的金屬基座、四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及四組傳動(dòng)連桿構(gòu)成。

其中，四個(gè)支鏈賦予了機(jī)械手四個(gè)自由度（4-DoF），包括沿X、Y、Z軸的平移自由度以及沿移動(dòng)平臺(tái)中央軸Z`的旋轉(zhuǎn)自由度，為Micro-X4帶來極高的靈活性與適應(yīng)性。通過引入旋轉(zhuǎn)自由度，Micro-X4在圖案切割等任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀片方向的精準(zhǔn)控制，能通過快速切換末端執(zhí)行器來應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的操作需求。

在折紙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方面，Micro-X4采用了“拆分與拼接”制造策略，這一策略有效解決了包含閉環(huán)的微結(jié)構(gòu)制造難題，通過分割并聯(lián)機(jī)構(gòu)、制造模塊化支鏈、再拼接形成完整閉環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的方式，該策略不僅提升了制造效率，還確保了機(jī)械手的整體精度與穩(wěn)定性。

在運(yùn)動(dòng)控制方面，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)Micro-X4的精確控制，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，該模型充分考慮了折紙結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與平行四邊形連桿之間的偏差，并通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的優(yōu)化，進(jìn)一步提高了微型并聯(lián)機(jī)器人的執(zhí)行準(zhǔn)確性。這一模型的建立，為Micro-X4的精準(zhǔn)操作奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

在驅(qū)動(dòng)與控制架構(gòu)方面，Micro-X4則采用了四個(gè)配備編碼器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并結(jié)合磁場(chǎng)定向控制驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)位置、速度和電流的精確控制。同時(shí)，三個(gè)PID控制器的引入，也進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，確保了Micro-X4在微操作任務(wù)中的高效執(zhí)行與精準(zhǔn)定位。

▍性能與應(yīng)用測(cè)試，展示Micro-X4優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用效果

為全面評(píng)估Micro-X4微型并聯(lián)機(jī)器人的性能優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)從多維度進(jìn)行了詳盡的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并與多種類型的微操作平臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比分析。

• 多微操作平臺(tái)性能比較

為了評(píng)估Micro-X4的性能優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)選擇了三種類型的微操作平臺(tái)進(jìn)行比較。

在工作范圍方面，Micro-X4展現(xiàn)出了廣闊的操作空間。通過精確測(cè)量恒定方向工作空間和總方向工作空間，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型高度吻合，這驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性與準(zhǔn)確性。具體而言，其恒定方向工作空間和總方向工作空間的體積分別達(dá)到756mm3和362mm3，為微操作任務(wù)提供了充足的空間。

在精度方面，Micro-X4同樣表現(xiàn)出色。通過定位重復(fù)性和方向重復(fù)性的精確測(cè)量，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Micro-X4精度極高，整體定位重復(fù)性達(dá)到約346nm，方向重復(fù)性約為0.17mrad。通過實(shí)際演示（如指向不同尺度正方形的頂點(diǎn)和中點(diǎn)），研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了Micro-X4的高精度優(yōu)勢(shì)。

在剛度方面，研究團(tuán)隊(duì)通過壓縮剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的測(cè)量，展現(xiàn)了Micro-X4卓越的剛度特性。高剛度使得Micro-X4能夠集成接觸力測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞操作和穿刺的精確控制。

在軌跡執(zhí)行方面，研究團(tuán)隊(duì)通過測(cè)試多種不同形狀和尺度的軌跡發(fā)現(xiàn)，Micro-X4具備高精度的執(zhí)行能力，其最大速度達(dá)到約124mm/s，且在不同尺度和頻率下的軌跡重復(fù)性均保持在較高水平。

綜合特征尺寸、相對(duì)工作空間比和精度等關(guān)鍵指標(biāo)的分析，Micro-X4在工作空間和精度方面均性能卓越，特別是在所有特征尺寸≤30mm的平臺(tái)中，其并聯(lián)機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出最佳性能，進(jìn)一步證明了其在微操作領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

• 實(shí)際應(yīng)用效果測(cè)試

為驗(yàn)證Micro-X4的實(shí)際應(yīng)用效果，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列從組織尺度到亞細(xì)胞尺度的微操作任務(wù)，深入展示了其在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用能力和靈活性。

圖案切割：在顯微外科手術(shù)中，組織切割的準(zhǔn)確性和靈活性至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)中，一把精細(xì)的刀片被固定在移動(dòng)平臺(tái)的中間位置，通過精確控制Micro-X4的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究團(tuán)隊(duì)成功在洋蔥片上切割出了復(fù)雜的菱形圖案。不僅如此，對(duì)于其他形狀，研究團(tuán)隊(duì)還展示了將其分解為多個(gè)菱形元素，并逐一切割元素輪廓以適應(yīng)形狀的能力。具體實(shí)驗(yàn)中，Micro-X4成功執(zhí)行了兩個(gè)圖案的切割任務(wù)：一個(gè)直徑5㎜的圓形和邊長(zhǎng)5㎜的正方形，這充分證明了其在顯微外科手術(shù)中切割不同尺度和形狀圖案的能力。

細(xì)胞定位和穿刺：細(xì)胞注射是細(xì)胞操作研究中的重要課題，而快速準(zhǔn)確地定位注射目標(biāo)是提高注射效率的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用針頭末端執(zhí)行器，通過Micro-X4的精確控制，成功將針尖對(duì)準(zhǔn)了染色洋蔥片內(nèi)選定的細(xì)胞核，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)洋蔥細(xì)胞的穿刺。這一過程不僅展示了Micro-X4在細(xì)胞定位方面的高精度，還驗(yàn)證了其作為高通量顯微注射平臺(tái)的潛力。

細(xì)胞切割和插入：細(xì)胞手術(shù)為理解基因和疾病的根本原理提供了一種重要策略，而不同的細(xì)胞手術(shù)通常需要使用不同的末端執(zhí)行器來滿足不同的任務(wù)需求。實(shí)驗(yàn)中，Micro-X4配備了刀片和針頭兩個(gè)末端執(zhí)行器，通過旋轉(zhuǎn)移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器的快速切換。在模擬剛性細(xì)胞壁的顯微注射過程中，Micro-X4首先使用刀片在卷心菜細(xì)胞上切開一條線以形成開口，然后迅速切換至針頭末端執(zhí)行器，沿著開口將針頭伸入細(xì)胞內(nèi)部。這一過程充分展示了Micro-X4在復(fù)雜細(xì)胞手術(shù)和亞細(xì)胞微操作任務(wù)中的應(yīng)用能力。

細(xì)胞接觸和穿刺：在微操作任務(wù)中，對(duì)接觸力的精確控制至關(guān)重要。Micro-X4通過集成薄膜壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接觸力的精確測(cè)量和控制。實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)在Micro-X4的末端執(zhí)行器和移動(dòng)平臺(tái)之間配備了薄膜壓力傳感器，并使其沿著一系列六個(gè)洋蔥細(xì)胞交替執(zhí)行“接觸-穿刺-接觸-穿刺-接觸-穿刺”序列。通過測(cè)量接觸力，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)針尖接觸細(xì)胞時(shí)的精確控制，使其明顯變形而不破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并在需要時(shí)刺穿細(xì)胞。這一過程不僅展示了Micro-X4在接觸力控制方面的優(yōu)越性能，還進(jìn)一步驗(yàn)證了其在微操作領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

以上深入的實(shí)際應(yīng)用效果測(cè)試不僅展示了Micro-X4在微操作任務(wù)中的強(qiáng)大能力和靈活性，還通過集成接觸力測(cè)量功能等創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升了其在精確控制方面的優(yōu)勢(shì)。從圖案切割到細(xì)胞定位和穿刺，再到細(xì)胞切割和插入，Micro-X4為微操作領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的可能。

參考文章：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-57815-5?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20250317&utm_content=10.1038/s41467-025-57815-5