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微型仿生機器人研究現狀綜述

羅自榮, 洪陽, 蔣濤, 林澤寧, 楊云, 朱群為

10.3901/JME.2025.03.178

引用本文：

羅自榮, 洪陽, 蔣濤, 林澤寧, 楊云, 朱群為. 微型仿生機器人研究現狀綜述[J]. 機械工程學報, 2025, 61(3): 178-196.

LUO Zirong, HONG Yang, JIANG Tao, LIN Zening, YANG Yun, ZHU Qunwei. Review of Micro-bionic Robots[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(3): 178-196.

原文閱讀（摘要）

摘要：微型仿生機器人作為尺寸在厘米級及以下的微型機電系統，具有體積小、質量輕、便于攜帶等特點，被廣泛應用于環境探測、目標搜索、偵查打擊等復雜環境中。為使廣大研究人員了解微型仿生機器人的研究進展，基于全球最大的文摘和引文數據庫Scopus對近15年的相關文獻進行總結和分析，直觀描繪了微型仿生機器人領域的發展趨勢。從微型仿生機器人的仿生運動形式、制造技術、驅動技術三個關鍵點入手，輔以生物機電混合微型機器人特殊研究方向的介紹，總結了微型仿生機器人的總體特征和研究現狀。分析目前微型仿生機器人發展的技術瓶頸，提出能源-驅動-感知-控制全柔性一體化的發展思路，同時促進一體化制造技術的創新發展。基于軍事和反恐防暴應用背景，充分分析微型仿生機器人的特征優勢，進行以微型仿生機器人為核心的作戰應用構想，并拓展討論了微型仿生機器人在民用方面的應用。最后，對現有微型仿生機器人的不足與未來發展進行討論與總結，為微型仿生機器人技術領域的發展及其軍事應用前景提供有價值的參考。

關鍵詞：微型仿生機器人；驅動技術；制造技術；全柔性一體化；軍事應用

中圖分類號：TH39

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前言

隨著科技水平的高速發展，機器人已經成為人類社會不可缺少的重要組成部分，涵蓋工業生產、醫療服務、勘探監測等眾多領域。傳統意義上的機器人多為常規尺寸的機械式機器人，雖然它們技術成熟、結構簡單，但存在體積和重量偏大、噪音和功耗較大、系統集成化程度不高等客觀技術問 題。當工作環境變為狹窄空間等復雜環境時，傳統常規機器人受自身剛性結構尺寸的物理限制無法正常運行或充分發揮作用。此時，自然界具備優秀運動能力的諸多微小型生物(如蜜蜂、甲蟲等)為研究人員帶來了啟發。這些生物體積小、運動能力強、功能能力突出，可以自如地在各種狹小復雜環境中完成特定的生物活動任務。研究人員通過對這些微小型生物進行物理外形和功能結構的仿生學研究，開發出眾多的微型仿生機器人。

自然界生物種類繁多，由此微型仿生機器人的種類和功能也豐富多樣，它們有著多種運動形式(如爬行、飛行、跳躍、游動)，基于不同的制造技術(如3D打印技術、4D打印技術、智能復合微結構技術(SCM)、形狀沉積技術(SDM)、軟光刻技術、彈出式微機電系統(Pop-up MEMS)制造技術)，采用不同的驅動方式(如智能材料驅動、流體驅動、化學驅動)，更有著生物機電混合系統特殊類 型。圖1中的文獻計量分析顯示了科研人員對微型仿生機器人研究領域日益增長的興趣。

圖1中的文獻計量分析數據是基于Scopus數據庫進行檢索統計的，文獻數據包含未見刊但已在線發表的文獻。圖1a顯示了仿生機器人和微型仿生機器人研究領域的熱度發展趨勢。在2009年之前，有關仿生機器人和微型仿生機器人研究領域的文獻主要以零星的探索性論文為主。從2009年開始，有關這兩個主題的文獻數量呈穩定增長趨勢。自2017年之前，相關文獻基本保持每年以固定的數量線性增長，表明這一研究領域所產生的動力雖不突出但能保持平穩的發展態勢。從2017年開始，有關仿生機器人和微型仿生機器人研究的文獻數量的增長速度呈現逐年猛增的態勢(表征為數據圖中折線斜率的變化)。圖1a有根據地表明微型仿生機器人研究領域的影響力正在以驚人的速度迅速建立。圖1b顯示了近15年有關微型仿生機器人研究的會議論文和高水平期刊論文的發表情況。會議論文數量始終保持穩定，但相關高水平期刊論文數量以喜人的態勢高速增長，尤其是影響因子(Impact factor, IF)大于10的高水平期刊論文，2023年發表數量近2022年發表數量的3倍。圖1c和圖1d顯示了近15年有關微型仿生機器人研究的高水平期刊論文發表情況(截至2024年1月16日)。《IEEE Robotics and Automation Letters》期刊發文數量最多為12，占比6.38%；《Nature Materials》期刊的IF最高為41.2，第二《Advanced Materials》期刊IF為29.4。圖1b～1d表明微型仿生機器人研究領域受世界矚目，已躋身當今世界科研領域前沿。

圖1 基于Scopus數據庫的微型仿生機器人研究領域的近15年文獻計量分析(數據截至2024年1月16日)

本文從微型仿生機器人的仿生運動形式、制造技術、能源與驅動技術三個關鍵點入手，并配合生物機電混合微型機器人特殊研究方向的介紹，對微型仿生機器人的研究現狀進行了總結。隨后，基于研究現狀分析目前發展的技術瓶頸，提出半能源-驅動-感知-控制全柔性一體化的構想。同時，基于特殊的軍事應用需求場景，依托微型仿生機器人的特征優勢，進行了基于微型仿生機器人的作戰應用構想。最后，對現有微型仿生機器人的不足與未來發展進行討論與總結，為微型仿生機器人的發展與應用提供有價值的參考。

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微型仿生機器人仿生運動形式

自然界生物具有四種基本的運動形式：爬行、跳躍、飛行、游動，那么以自然界微小型生物為仿生對象所開發出的微型仿生機器人也按仿生運動形式也可分成四種：微型爬行機器人、微型飛行機器人、微型跳躍機器人、微型水下機器人。不同的運動形式有著各自的結構和功能特點。微型仿生機器人的研究在國外開始較早，至今也有了很多的研究成果和技術積累，并且相關研究一直在不斷跟進創新。

1.1 微型爬行機器人

哈佛大學的Wyss仿生工程研究院是微型機器人領域著名的研究團隊，在微型爬行機器人和微型飛行機器人的研究中都有著世界領先的技術和成果，HAMR(Harvard Ambulatory MicroRobot)是其團隊多次登上國際頂尖期刊的代表作品。

HAMR是一款受蟑螂啟發的可移動且高度靈巧的多功能微型爬行機器人，擁有60多個關節，包括模仿蟑螂的髖關節和腿關節，采用彈出式微機電系統工藝制造。HAMR作為哈佛大學團隊的得意之作，在不斷迭代優化的過程中，其衍生版本也較為豐富。第一代的HAMR質量約2.8 g、長約4.8 cm，體型與現實生活中的蟑螂相似。其最大移動速度可達約每秒8.4個身長(40 cm/s)。之后，哈佛團隊在其基礎上不斷嘗試技術突破，HAMR-VI的質量經過削減僅為1.9 g，但其負載量提高到了2.9 g，如圖2a所示。此外，HAMR-E、HAMR-F、HAMR-DSC和HAMR-JR等衍生版本也相繼問世。經過特殊功能優化改進的HAMR配合腿上的腳墊，可以利用水面的張力避免下沉，甚至可攜帶1.44 g的載荷在水面行走，其腿部擺動頻率可達10 Hz。

2018年，哈佛大學為HAMR增加射頻通信功能改進為HAMR-F，質量2.8 g，身長約4.5 cm，配備板載電池的情況下其運動速度可達約每秒3.8個身長(17.2 cm/s)。在HAMR-F亮相后不久，HAMR-E問世，其具有的特殊電粘腳墊、基于折紙的踝關節和定制的步態，使其能夠粘附于垂直、倒置和彎曲的表面，HAMR-E通過靜電可粘附在直立表面甚至負角度表面，直立表面速度可達1.2 mm/s，負角度表面速度可達4.6 mm/s，而其水平面上的速度可達140 mm/s。HAMR-E質量為1.48 g，長約4.5 cm，質量和體積相比于 HAMR 改變不大，因為其更注重于功能優化。

作為國內機器人研究領域的先驅，沈陽自動化研究所的微納米課題組率先開展微型機器人方面的研究工作，在磁驅動毫米機器人、光驅動毫米機器人、熱驅動毫米機器人、氣泡微米機器人、細胞微米機器人、混合驅動納米機器人等方面取得了諸多極具影響力的研究成果。他們基于甲蟲研制了一款六足微型爬蟲機器人，如圖2b所示，體長3.5 cm，體寬2.5 cm，具備高速爬行能力，最大運動速度可達每秒5倍體長(17.5 cm/s)，同時具備良好的機動能力，可進行靈活的轉彎繞圈等動作，利用搭載的硬件設備可進行音頻和視頻信息的拍攝回傳，本身可進行視覺避障自主移動。

微型爬行機器人目標小，顏色同大部分地面接近，什么適合進行二維空間的低角度探測任務。

1.2 微型飛行機器人

相比于微型爬行機器人，微型飛行機器人的技術難度要更高。同樣出自哈佛大學，RoboBee是該團隊在微型飛行機器人領域的杰作。RoboBee是世界上第一款可自主飛行的昆蟲大小的仿蜜蜂撲翼微型機器人，采用壓電致動器驅動，經過后續的特殊改進可以從水下游泳過渡到飛行，而且可以利用靜電像昆蟲般停留在物體表面。具備停留物體表面的能力使得RoboBee功能上與昆蟲更加接近。

2012年，第一代完整的RoboBee問世并初登《Science》，如圖3a所示，它擁有每分鐘能扇動120次的翅膀，質量僅86 mg，比一只真正的蜜蜂還要輕，不僅能平穩起飛，還可以做一些懸停和路徑追蹤的動作。2016年，頭戴“草帽”電極的新一代RoboBee第二次登上了《Science》，新一代RoboBee借助著新裝備“草帽”可以吸附在幾乎所有常見的表面，對微型機器人來說具有里程碑意義。2017年，陳宇峰使RoboBee突破了水的表面張力，真正實現了水下過渡到飛行，并登上了機器人界頂級期刊《Science Robotics》。最新的RoboBee X-Wing第四次登上《Nature》，身高6.5 cm，質量僅90 mg，集成系統質量259 mg，通過太陽能電池供電實現了無纜飛行。RoboBee X-Wing搭載一個60 mg的光伏陣列和一個91 mg的信號發生器，其推力效率與體積相似的昆蟲相當。這種昆蟲大小的飛行器是迄今為止實現持續不受束縛飛行(相對于脈沖跳躍或升空)的最輕飛行器。

除了RoboBee，荷蘭代爾夫特理工大學微型無人機實驗室開發的仿果蠅微型飛行機器人DelFly Nimble性能也十分優秀，如圖3b所示。DelFly具有出色的靈活性，能夠進行360°側傾和俯仰翻轉，還能做筋斗和桶滾特技。DelFly Nimble翼展33 cm，質量29 g，能夠攜帶4 g的額外有效負載，能在空中懸停5 min，或者單程飛行1 km。

微型飛行機器人外形同飛行昆蟲相近，不易引起注意，適合進行空中或者立體空間內的各項任務。

1.3 微型跳躍機器人

自然界跳躍運動的生物多是依靠肌肉力量的爆發或者瞬間壓力的釋放來完成跳躍動作，微型跳躍機器人的動作原理也是與這些生物類似。

塞內加爾嬰猴是動物界垂直跳躍能力最強的動物，它的體型很小，但行動敏捷，善于跳躍，一躍可達35 m。加州大學伯克利分校仿生微系統實驗室受這種嬰猴的啟發，研發出了一個微型跳躍機器人Salto，如圖4a所示，Salto的結構能實現嬰猴彈跳能力的78%左右，可實現蹲伏姿勢，通過蓄力在“肌腱“中可以讓Salto跳得更高。2016年最初版的Salto受到跑酷動作啟發，可以進行連續兩次彈跳，通過第一次起跳后，Salto可以通過腳蹬墻壁指定位置進行第二次起跳，這就使Salto的總彈跳高度大大增 加。經過2018年和2020年的兩次迭代更新，最新的Salto質量僅有100 g，是目前最敏捷、跳躍能力最好的有腿跳躍機器人，平均每隔0.58 s就可以進行一次高達1.2 m的跳躍，跳躍敏捷性為1.7 m/s。

康奈爾大學AUBIN等開發了一個325 mg的微型驅動器，通過甲烷的瞬時燃燒在高頻率下實現驅動。其執行器可輸出大于9.5 N的力，具備超過100 Hz的工作頻率。它們以此驅動器為基礎構建了仿昆蟲微型跳躍機器人，如圖4b所示，其體長29 mm，質量僅為1.6 g，有效載荷能力是其體重的22倍，垂直跳躍高度可達59 cm。該機器人以外接的導管輸送燃料和氧氣，并通過外接導線傳輸控制信號以點火，在短時間內放出大量的熱量使得足底的彈性膜膨脹以實現致動。

微型跳躍機器人具備較強的越障能力，相比于爬行機器人更適合執行復雜地面環境下的各項 任務。

1.4 微型水下機器人

水下生物多依靠鰭、觸手等身體部位動作進行運動，如魚、水母等，微型水下機器人正是依靠模仿這些水下生物的獨特生理結構實現自身運動的。

浙江大學以深海8 000 m處的獅子魚為原型研發了一款微型仿生魚機器人，如圖5a所示，該機器人長22 cm(體長11.5 cm，尾長10.5 cm)，翼展28 cm。它能在馬里亞納海溝水下10 900 m的深處成功啟動運行，探索了世界上最深的水下環境。在中國南海的現場試驗中，它在3 224 m的深度以5.19 cm/s(即每秒0.45體長)的速度拍打雙鰭成功實現自由游動(8 kV交流電壓，1 Hz驅動)。這項成果有可能擴展到各種其他軟設備上，未來如果集成額外的功能單元或重新排列電路則有望產生多種附加功能，例如深海中的傳感和通信。

CHENG等受水母啟發研制了一款仿水母微型軟體機器人，如圖5b所示，其具有高機動性，可以模仿天然水母的表現。機器人本體附有六個塑料槳，由有機硅彈性體制成。其最大記錄游泳速度可達1 cm/s，峰值推力為0.000 12 N。這種微型機器人水母的工作原理可用于實地研究并指導軟機器人和柔性設備的設計。微型水下機器人具備獨一無二的水下運動能力，可執行水下環境的各類探測救援任務。

四種運動形式的微型仿生機器人有著各自的運動特點，如表1所示對上述各類型微型仿生機器人的運動特點進行了總結。

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微型仿生機器人制造技術

微型仿生機器人的制造材料種類繁多，包括智能軟材料、金屬材料、工程塑料等等，由此與之配套的制造技術也覆蓋廣泛。目前，形狀沉積技術(SDM)、智能復合微結構技術(SCM)、3D打印技術、

4D打印技術、軟光刻技術、彈出式微機電系統(Pop-up MEMS)制造技術等已被應用于微型仿生機器人的制造。

在這些技術中，對于以軟材料為主的微型仿生機器人來說，SDM、軟光刻技術和3D打印技術是近20年來廣泛應用于軟材料微型仿生機器人制造的成熟技術。最常用的SDM于1990年末開發，用于剛性材料的快速原型制造(RPM)，在2000年首次被用于軟性粘彈性材料集成的仿生結構設計。SDM是一種多層沉積工藝，該工藝能將傳感器、電路、驅動器等嵌入到軟體機器本體內，常適用于剛性器件與柔性基底的集成。

軟光刻技術是利用光刻膠感光后發生光化學反應而產生耐蝕性的特點，將掩膜版上的圖案刻制到被加工對象表面的技術，十分適合用于微結構的制造，以便在制造過程中嵌入各種部件，常用的材料是彈性聚二甲基硅氧烷(PDMS)。2018年，哈佛大學和波士頓大學RANZANI等研制的由多層軟光刻制作的微型仿生蜘蛛如圖6a所示，在硅晶片上注入PDMS，經過曝光和脫氣，采用精密激光微加工系統切割彈性體。重復上述操作12次，制備出12個不同的PDMS層并將其粘合，微型仿生蜘蛛成型。這項研究有著潛在的外科手術學和生物醫學應用，而且也可以應用于可穿戴技術。與傳統光刻方法相比，軟光刻技術更加的靈活，不受光散射的限制，但仍存在變形問題和速度慢的問題。

與光刻等減法制造方法相比，考慮到軟材料機器人的結構特點，增材制造技術更加適用。直接噴墨固化、光聚合、選擇性激光燒結(SLS)和多噴射融合(MJF)等技術已被納入聚合物的3D打印制造中。目前，3D打印是制造軟材料機器人的典型技術，它能夠以相對簡單的方式制造復雜的結構。2016年，哈佛大學WEHNER等開發的完全自主微型仿生章魚機器人Octobot如圖6b所示，采用立體光固化和嵌入式3D打印相結合，章魚軟體機器人本體集成控制器-傳感器-驅動器于一體，隨著氣體壓強的變化驅動可進行爬行、游泳等一系列自主運動動作。未來，3D打印技術可通過結合硬、軟、彈性和導電材料，有效制造整個機器人，包括傳感器、致動器和控制系統。它有望成為軟光刻技術的補充甚至替代方法。

近年來，研究人員發現，當暴露于某些預定的刺激(如熱、水、光、pH等)時，一些3D打印結構的形狀、特性和功能可能會隨著時間的推移而變化。根據這些觀察結果，他們開發了基于3D打印的4D打印技術，并以智能聚合物為基礎，成功地融入了額外的時間維度。4D打印本質上是3D打印的一個子集，并擁有其所有優勢。具有運動能力的3D物體的制造被稱為4D打印，最早出現在2013年。隨著這一新概念的發展，4D打印的應用范圍已得到很大的拓展。然而，4D打印仍處于起步階段，研究人員正在對4D打印技術進一步的開發和完善。

SCM法是指采用激光微加工技術，切割聚合物薄膜形成所需形狀，層壓形成多層結構，它是一種柔性聚合物薄膜和復合材料集成的連接方法。哈佛大學制作的微型飛行機器人就是將壓電驅動器、線路和傳感器采用SCM方法集成，制成的微飛蟲 機器人質量在克級甚至毫克級，體積可控制在毫米級。

Pop-up MEMS制造技術是一種扁平制造技術，2011年由哈佛大學Wyss研究所的團隊開發，用于微型機器人的扁平制造。哈佛大學過去開發的機器人Delta手臂常用在組裝生產線，其速度和靈巧度決定了工作空間需要足夠大，基于Pop-up MEMS制造技術的MilliDelta機器人，圖6c所示機器人正是Delta手臂的世界最小版本。MilliDelta尺寸為15 mm×15 mm×20 mm，質量為430 mg，依靠壓電驅動可舉起1.3 g的質量，它可以在7 mm的空間內以5 mm的精度運動，最高速度為0.45 m/s，每秒最多可執行75次動作。這款新型機器人的操作級別為毫米級，可以在精細拾取、包裝、制造甚至外科手術方面提供幫助。

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微型仿生機器人驅動技術

微型仿生機器人的尺寸是限制其驅動技術發展的主要因素之一，傳統機器人的驅動技術很難在滿足其性能要求的情況下兼顧尺寸方面的限制。研發在微小尺寸上適用的微型仿生機器人驅動技術是微型機器人開發的重點和難點。目前國內外使用較多的微型機器人驅動技術主要有壓電驅動、微型電機驅動、形狀記憶合金(SMA)驅動、智能材料驅動等。

3.1 壓電驅動

壓電驅動是目前應用較為廣泛的微型機器人驅動方式。壓電驅動器可開環控制也可閉環控制，通過調節電壓即可實現壓電驅動器的開環控制，若想對壓電驅動器實現閉環控制，需結合運動捕獲系統、蜂鳴式運動檢測器、壓電材料自感應等方式共同 完成。

包括RoboBee飛行機器人、HAMR系列四足機器人、MilliDelta振動機器人等都是采用壓電驅動的微型機器人，同時使用了哈佛大學自研的一種壓電材料自感應反饋控制壓電驅動器的方法。這種方法在一定的電壓和振幅范圍內可實現對速度10%的優秀控制精度。近期，清華大學團隊通過將一種帶有傾斜微三棱柱結構的仿生足墊與柔性壓電驅動薄膜匹配，發展了一種多功能且自適應的攀爬軟體機器人系統，并為其命名為壓電攀爬者。壓電攀爬者系統具有快速(超過1.4身位每秒)、粗糙度適應能力廣(可在納米級光滑表面或者毫米級突起表面垂直攀爬)以及自主跨越攀爬等能力，還可以在無外界控制策略的條件下進行0°-60°-0°的自適應攀爬以及復雜地形中的自主導航逃脫。

3.2 微型電機驅動

尺寸稍大的微型仿生機器人可采用微型電機驅動。微型電機限制了尺寸方面無法做到很小，但是驅動效果較好。美國DARPA很早就開展了微型仿生機器人相關研發項目，微型仿生蚊子機器人就是其研究內容之一，其最終目標是應用于戰場環境的偵查。中國科學院沈陽自動化研究所的六足微型爬行機器人也是采用微型電機驅動，最高速度 17.5 cm/s，驅動效果良好。

加州大學伯克利分校在2009年報道了一款六足微型機器人DASH，如圖7所示。DASH質量僅16 g，是一種小型、輕便、電源自主的能夠以每秒高達15個身體長度的速度運行的機器人。從生物力學中汲取靈感，DASH 具有伸展的姿勢，并使用交替的三腳架步態來實現動態的開環水平運動。提出了僅使用單個驅動電機并允許高功率密度的運動學設計，該設計是使用規模化的智能復合材料制造(SCM)流程實現的。除了速度快之外，DASH還非常適合從高處墜落，因為其結構具有獨特的順應性。

RoACH是一款微型仿生蟑螂機器人，也是由加州大學伯克利分校研發的，質量僅2.4 g，包括控制電子設備和電池，采用微型電機驅動，并利用自身攜帶的鋰聚合物電池供電，RoACH的速度約每秒1個體長(3 cm/s)。南京航空航天大學的研究人員受壁虎啟發，利用微型電機驅動，用“毒液”充當機器人的“壁虎的腳”，開發了一款微型仿生壁虎機器人Slalom。它配備了特殊的足部裝置來粘附和適應各種表面，以實現高效運動。

3.3 形狀記憶合金(SMA)驅動

形狀記憶合金(SMA)具有獨特的形狀記憶效應、超彈性、高阻尼、自感知和生物相容等特性。基于SMA材料的優良特性，SMA驅動器具有高功重比、高應變應力、高驅動頻率和高設計自由度等優勢。

CLARK等研制出了一種SMA驅動的微型仿生機器魚。這種仿生機器魚的主體框架部分由液體的橡膠模具鑄造而成，內部包含了可實現轉向功能的電磁線圈、電源及控制模塊。其整體身長為10 cm，最大平均游速為每秒0.019個體長，功耗為20 mW。南加州大學基于SMA設計了一款仿甲蟲微型機器人RoBeetle，靠內部攜帶的甲醇驅動SMA，質量88 mg，可續航2 h。

南京航空航天大學機電學院運動仿生與智能機器人實驗室近期開發了一種基于SMA彈簧驅動柔性脊柱的仿壁虎機器人，如圖8所示，其在整體結構和幾何比例上均與大壁虎的身體特征非常相 似。該機器人共設有15個自由度(每條腿3個，脊柱3個)，是完全按照壁虎身體構造比例仿生設計的，可實現壁虎的運動姿態。毛婷等開發了一款基于SMA驅動的連續跳躍柔性機器人，整體尺寸6 cm× 4 cm×2.5 cm，質量為3.8 g。實驗在1 A的驅動電流下，其最大跳躍高度和遠度分別為8.5 cm 和18 cm，在不同的工作表面均可實現連續跳躍功能。該機器人具有體積小、質量輕、結構簡單的特點，同時可以穩定著陸，連續運動，適用于狹窄的非結構化環境下的行走。

3.4 智能材料驅動

智能材料一般是具有特殊理化性質的高分子材料，在外部的一些物理、化學刺激下會發生形狀的變化，例如熱、電、光、化學感應等外部刺激。智能材料分為熱致感應型智能材料、電致感應型智能材料、光致感應型智能材料、磁致感應型智能材料和化學感應型智能材料等。目前常見的智能材料主要有介電彈性體(DE、各類水凝膠、離子聚合物-金屬復合材料(IPMC)、液晶彈性體、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等，以及基于這些材料的復合材料。

LI等受蝠鲼外形的啟發，以DE和水凝膠為電極材料制成的軟電活性結構驅動電子魚能夠以6.4 cm/s的速度在水中移動(每秒0.69體長)。該電子魚以水凝膠電極和周圍的水作為正負極連接橋驅動。它借助水凝膠材料的高透明度的特點在水中呈現近乎透明的狀態，可以隱形航行。改變施加電壓的振幅和頻率可以改變電子魚的游動速度。這款電子魚利用尾部的電磁尾巴還可以進行最小半徑為8.5 cm 的轉向，體現出高度靈活性。CHENG等的Jellyfish仿水母微型軟體機器人(圖4b)是由有機硅彈性體制成的，也屬于智能材料驅動。

CAO等受到尺蠖的啟發研制的微型蠕蟲由一個DE驅動器驅動，自身可變形。輕質電池和小體積放大器的使用有助于開發這種不受束縛的軟機器人。這款不受束縛的軟機器人可以通過其可變形身體的交替膨脹/收縮和兩個紙基腳的粘附/分離來實現運動。強電粘附確保了穩定的運動，機器人身體的大電壓引起的變形和快速響應導致速度為每秒0.02個身長。然而高壓始終是限制其發展的重要因素，所以開發可以低電壓驅動的DE驅動器是核心關鍵問題。南加州大學開發出低電壓驅動的DE微型機器人，如圖9a所示，其身長4 cm，質量190 mg，可承載950 mg的有效載荷(其體重的5倍)。最重要的是其工作電壓低于450 V，空載狀態下可以30 mm/s的速度移動，并且由于其合規性而非常堅固。

中國科學院沈陽自動化研究所通過將PDMS、石墨烯、磁性顆粒相結合成功研制出了具有光響應性、磁響應性以及超疏水特性的新型復合材料，并利用這種新型復合材料制備出了仿水黽微型機器人，如圖9b所示。在紅外激光刺激控制下，這款機器人可在水面完成快速游動、跳躍及翻滾動作。該研究實現了新材料制備與多場驅動技術的融合，為微型仿生昆蟲機器人的研究提供了新的思路。

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生機電混合微型機器人(BEHMRs)

生機電混合型微型機器人(BEHMRs)是一類特殊的微型機器人，既不是單純的生物，也不是單純的機器人，而是生物和機電系統的結合體。自然界的生物有著很多令人驚嘆的天賦，這也是仿生機器人興起的重要原因。研究人員想到，其實還有一種更高效的方式，那就是直接以生物為基礎打造機器人。BEHRs的概念最早由美國國防部國防先期研究計劃局(DARPA)提出的，其所資助的“昆蟲微機電混合系統”(Hybrid insect MEMS, HI-MEMS)項目旨在昆蟲中植入MEMS芯片，該芯片與昆蟲組織形成穩定的接口，從而通過外部信號來控制昆蟲的行為。DARPA希望通過這種技術，創造出在軍事上具有應用價值的高隱蔽、廉價的半機械間諜。

4.1 BEHMRs機電系統的混合方式

對于BEHMRs來說，機電系統的混合方式主要分為兩種：植入式和外負式。

早在2009年，加州大學伯克利分校就進行了植入式生物機電混合微型機器人的相關實驗。它們在甲蟲身上植入一個小型可植入式神經刺激模塊來控制甲蟲的飛行活動，整套裝置包括神經刺激模塊、肌肉刺激模塊、一個無線收發裝置和一塊微型電池。他們可以控制甲蟲起飛、落地、在空中盤旋，科研人員還希望對這些可遠程遙控的甲蟲進行局部“改造”，打造成未來戰士版的機器甲蟲，試圖在這些甲蟲身上安裝照相設備、GPS設備或微型武器。2012年，美國麻省理工學院成功把一根“神經探針”植入一個飛蛾體內從而用電子信號控制飛蛾。全部裝備只有半克重，可植入飛蛾腹部。

新加坡南洋理工大學團隊在2015年開始“半機械式昆蟲”的研究，他們采用外負式方法，給活體甲殼蟲背上“電子背包”，通過刺激甲殼蟲的觸須或肌肉控制它們行走或飛行，并且不會影響昆蟲的壽命。最近，該團隊在“半機械式昆蟲”相關研究領域取得了新的突破，如圖10所示。他們以一種大型的花甲蟲(烏干達角金龜)作為研究對象，將“電子背包”做成負載裝載到甲蟲背上。“電子背包”由小型的微控制器、傳感器、接收和發送器組成，通過微型接頭電極連接到甲蟲特定的身體部位，整個設備由微型鋰電池供電。這個背包質量1.6 g左右，幾乎不會影響甲蟲的飛行速度。實驗中產生的數據將支撐研究人員進一步完善對機器昆蟲的自主飛行控制。如果在機器甲蟲上進行麥克風、攝像頭等功能載荷的部署，它們就能在搜索和救援任務中發揮巨大的作用，可以安全地探索以前無法進入的區域，例如倒塌建筑物中的小角落和裂縫。

4.2 BEHMRs的供電方式

比起單純的仿生機器人，BEHMRs利用動物的身體，運動起來更加靈活，而且可以在更復雜的環境里活動。但是與動物身體混合的機電設備是要靠電能工作的，所以怎樣給它們提供持久的電能供應是一個問題。最近北理工的研究團隊梳理了這幾種常見的BEHMRs的供電方式。

目前，BEHMRs的供電方式主要有以下幾類：化學電池(比如紐扣電池、鋰電池)、太陽能電池、生物燃料電池(利用生物體自身的化學能)、生物熱能采集設備(捕捉、利用生物的體熱)和生物振動能量采集設備(利用動物的運動進行自充電)。化學電池是目前最常見能源選擇，具有相對穩定的能源輸出。但是化學電池需要頻繁更換或充電，這嚴重限制了BEHMRs的壽命，甚至可能對生物載體的活力造成損害。此外，具有高能量密度的電池通常質量和體積也較大，占整個背包重量和體積的近80%，這在很大程度上影響了低負載能力生物體的運動。所以，研究人員正探索其他幾種供能方式的突破，以取代化學電池實現BEHMRs攜帶的電子部件的自供電。

幾種供能方式有著不同的特點，如表2所示，適用于不同類型的BEHMRs。BEHMRs的能量供應系統是其未來發展和實際應用的重要組成部分。目前，化學電池仍是生物機電混合微型機器人的主流選擇。為了克服由于需要更換電池或重新充電而對BEHMRs壽命的影響，研究人員已經在四個領域對自供電設備進行了研究：太陽能、生物能、生物熱能和生物振動能(表1)。目前的自供能裝置仍存在很多問題，比如轉換效率低、輸出功率低、能量供應不穩定、生物載體相容性差等。因此，具有高能量密度、良好生物相容性、高穩定性的自供能裝置的開發，將是未來研究的重要挑戰。新材料的開發、微結構的新設計以及復合能源供應裝置的開發將是解決這些局限性的重要途徑。

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微型仿生機器人能源-驅動-感知-控制全柔性一體化發展構想

微型仿生機器人優越的身體柔順性和小體積使其能夠進入人類無法進入的各種空間，具備著得天獨厚的發展優勢。隨著機器人尺寸的減小，考慮到加工方法、電子器件和儲能設備的尺寸問題，導致了在微觀和宏觀層面上的制造材料、驅動方法、運動模式、儲能、傳感和控制以及建模方面的差異。

受尺寸限制，目前的微型仿生機器人很難實現內置獨立且高效的能源系統、驅動系統、感知系統和控制系統。能源和驅動器件是決定機器人運動方式和運動性能的關鍵部件，當前的小型化能源與動力裝置無法集成適用，絕大多數微納機器人只能以系繩連接能源的方式活動，極大地影響了微型仿生機器人的性能。能源部件可決定機器人續航時間及環境自適應供電，驅動部件可決定機器人運動能力，傳感部件直接影響機器人的功能性，控制部件關乎機器人的有效運行。基于上述問題，微型仿生機器人的能源-驅動-感知-控制一體化發展顯得十分重要。

目前一些高校和研究單位已經開始探索全柔性一體化發展的路線了，他們大多從柔性驅動和傳感集成新途徑開始引入。目前柔性機器人常用的四種驅動策略有壓力驅動、電驅動、外部刺激驅動、被動變形驅動，還可進行多模式結合的復合驅動策略。而常用的柔性傳感策略主要包括本體感知和觸覺感知兩大類，亦可執行多模態感知融合策略。為了將柔性驅動與傳感技術相結合，可采取以下主要的集成方式：傳感器表面集成(如電子皮膚、柔性傳感陣列)、傳感器內部集成(如傳感元件內嵌)。

微型仿生機器人的能源-驅動-感知-控制全柔性一體化發展需要將能源部件、驅動部件、傳感部件和控制器件利用一體化構建方法集成到一個全柔性器件系統中。該方案需要突破全柔性一體化融合設計、高功率密度柔性電池研制、全柔性一體化制造等關鍵技術。基于這些關鍵技術開發出的微型仿生機器人，具備全柔性特點，具有較高的環境自適應性，可適應多種運行環境；具備自供能特點，可實現機器人長距離、長續航時間執行作戰任務；柔性材料使其可抵抗一定程度的外界沖擊和振蕩，具有較高的可靠性。

雖然全柔性一體化發展具有諸多極具優勢的特點，但是也具備極大的技術難度和挑戰。要想順利開展全柔性一體化工作，需全面評估工作環境和運動要求，確保性能兼容；需探索多樣化表面與內部集成方法；需鼓勵創新設計范式，利用新材料和制造技術提升集成效率。一旦能源-驅動-感知-控制全柔性一體化技術得以實現，將在多領域發揮重要作用，特別是航空航天、醫療等領域，新材料和集成策略的結合將推動智能軟體機器人技術的突破性創新。

6

微型仿生機器人應用構想

6.1 微型仿生機器人作戰應用構想

隨著機器人技術的發展和現代無人偵察等作戰模式的重大變革，微型仿生作戰機器人已成為世界各國國防科技發展的重點對象之一，被期待應用于軍事作戰任務和反恐防暴作戰任務中。微型仿生機器人尺寸在厘米級或以下，具有體積小、質量輕、方便易攜等優勢，在狹小復雜空間及特殊惡劣環境下執行監聽監控、目標搜索、勘探定位、火力打擊等任務。哈佛大學、西北工業大學等研究機構在近些年開發了微爬行機器人、撲翼機器人等各類微型仿生機器人，極大程度上推動了微型仿生作戰機器人的發展。當前人工智能技術飛速發展，應用到微型仿生機器人上使其具備高度的機動性和戰斗能力，將為軍事和反恐防暴領域帶來深刻變革。基于微型仿生機器人的優勢特點，結合實際情況和作戰需求，提出以下幾種基于微型仿生機器人的作戰應用構想，如圖11所示。

(1) 隱蔽偵查。

微型仿生機器人的尺寸較小，且大多外形仿照生物，能夠在不易被察覺的情況下悄悄接近目標，也可以通過空投、導彈投放或者無人機攜帶等方式投放到軍事敵人或者恐怖分子陣地。一旦進入敵方陣地，它們可以利用隱蔽性和機動性，躲避敵方的偵查。配合搭載的錄音、拍照和錄像等功能性載荷可以快速獲取環境、敵情等重要信息，搭載通信模塊還可以實時回傳數據供己方參考以及時有效制定應對策略。

(2) 定點爆破。

微型仿生機器人可攜帶一定量的爆炸裝置，借助自身良好的隱蔽特性能夠潛入敵方核心關鍵點實施定點爆破以阻礙敵方的軍事部署和作戰行動，比如破壞敵方指揮部設備、武器庫、車輛操作室、通信設備等關鍵區域和裝備。

(3) 精確火力打擊。

微型仿生機器人本身具備一定的負載能力，可搭載輕型火力裝備，在潛入敵方前線陣營、關鍵地點或者恐怖分子躲藏點后己方可參照實時畫面下達任務指令，對敵方目標進行精確火力打擊。

(4) 分布式、集群式作戰。

微型仿生機器人單體目標小，可以根據任務需要進行分布式作戰或者集群式作戰，可同時對敵方不同規模的多個任務目標進行偵查、火力打擊或者定點爆破，從而造成有效破壞和殺傷，降低敵方的反制能力。

(5) 自主決策作戰。

微型仿生機器人可配備高級人工智能技術，利用隱蔽特性潛入前線或敵方陣地，依托人工智能技術能夠自主分析戰場情況，及時做出智能決策，隨時調整戰術，在第一線破壞敵方戰略和作戰行動或者直接造成有效殺傷。

6.2 微型仿生機器人民用構想

機器人技術發展日新月異，早已出現在日常生活中的各個角落。家用的掃地機器人、餐廳用的炒菜機器人、博物館和商場等區域常見的引導服務機器人，它們都說明著機器人已經成為了構成人們日常生活的重要組成部分。目前民用領域的機器人多為傳統意義上的常規尺寸機器人，并未涉及微型機器人領域。微型仿生機器人的尺寸特點配以快速發展的人工智能技術，將給人們的生活生產帶來里程碑式的重大變革。基于微型仿生機器人的優勢特點，結合日常生活生產實際需求，提出以下幾種基于微型仿生機器人的民用構想。

(1) 農業生產。

自然界很多微小型生物的生物特征和習性對農業生產是有輔助作用的。微型仿生機器人的外形和實際功能均與仿生對象高度相近，比如以蜜蜂等飛行昆蟲為仿生對象的微型仿生機器人可以完成授粉作業，在未來基于這些“農業益蟲”設計的微型仿生機器人定能促進農業生產的 發展。

(2) 生物信息采集及醫療。

悠久的進化造就了自然界各種神奇的生物體，很多生物至今仍有未被探尋的諸多奧秘。微型生物機器人憑借其體型優勢能夠到達很多人類或者常規機器無法觸及的區域，便于其完成特殊的信息采集工作，經過縝密設計和人工智能強化的微型仿生機器人已經在生物醫療領域發揮了一定的作用，相信在未來它們能夠發揮更好的作用。

(3) 搶險救援。

自然災害總是無法準確預測的，意外事故也是無法完全避免的，每當這些不幸發生總會對環境、建筑、生命財產造成巨大的破壞和損失。在災后搜救、事故救援和后續重建工作中，微型仿生機器人的優勢特點能夠發揮出事半功倍的效果，可以引導人員迅速完成探查救援任務。

(4) 氣候和環境監測。

天文和地理是大自然的鬼斧神工，為了探查一片區域內的環境條件，需要進行長期多次的監測任務。在面對一些復雜或者狹小區域時，微型仿生機器人能夠依靠自身的負載能力攜帶微型檢測設備對其進行氣候和環境的檢測任務，從而為研究人員提供該區域的氣候環境信息。

(5) 設備器件維護維修。

我國制造業正處于從中國制造向中國智造邁進的關鍵轉型期，不論是我們的大國重器還是民用機械，都離不開日常的保養維護和維修工作。微型仿生機器人憑借尺寸優勢，結合靜電吸附等特殊設計，可以進入光滑筒壁、空腔等人工無法觸及的區域完成設備器件的維護維修工作。

7

結論

目前微型仿生機器人技術勢頭正盛，在軍用領域和工業生產、醫療服務、勘探監測等民用領域都具有很好的發展和應用潛力，但是受微型尺寸下能源、驅動等技術水平的限制，在運動能力、負載能力、控制精度、響應速度等方面還有很大的提升空間。本文提出了能源-驅動-感知-控制全柔性一體化發展思路，但是目前尚處于思考和理論可行性研究階段，距離實際研發應用仍存在較大的距離。基于上述問題，提出以下幾點目前可行的研究思路供 思考。

(1) 采用混合驅動系統。微型仿生機器人根據運行環境需要可內置多種驅動器，根據任務環境需求和能耗指標自主選擇最合適的驅動系統，以保持其在多種環境下始終具備優良的運動能力，同時能夠保證良好的續航能力。

(2) 優化系統結構設計。通過優化空間分配、功能系統布局等方式優化微型仿生機器人的系統結構設計方案，比如實現剛柔耦合機器人，提高機器人的負載能力和環境適應性，克服低負載和強度低的問題。

(3) 開發新型智能材料。開發可智能變剛度材料、活性軟材料等新型材料，具有不同力學性能，使微型仿生機器人在不同環境下具有突破性的性能，如耐壓、耐寒和非線性運動。

(4) 研究智能控制算法。根據仿生模本研究仿生智能控制算法，用有限維模型描述無限維分布式參數模型，建立基于優化方法的等效控制模型，實現精確的實時控制，包括形態和位置的控制。

(5) 開發多棲微型仿生機器人。目前微型仿生機器人大多僅適用于單一介質環境，優化仿生對象開發多棲微型仿生機器人可提高適應性和適用性，可勝任更多的任務場景。

(6) 一體化設計與制造。基于微型仿生機器人能源-驅動-感知-控制全柔性一體化發展思想，利用嵌入式柔性傳感器、柔性電子技術和3D打印等技術，實現微型仿生機器人的能源-驅動-感知-控制一體化設計與制造，提高微型仿生機器人的智能控制和感知能力，但仍面臨挑戰。

(7) 多層次共同設計。比如微型軟體機器人可以采取從“材料、結構、驅動、功能和智能化”等五個層次共同設計的研究策略，通過發展先進的制造和集成技術，可充分發掘和發揮微型軟體機器人友好交互、可變剛度、可重構、自愈合、自控制等諸多優良特性，推動微型軟機器人往多功能化、智能化方向發展，從而賦能他們在生物醫療、環境勘探、仿生學、集群和智能制造等領域的應用。

(8) 開展仿生協同研究。結合機器人本體多功能協同、機器人與環境協同(機-環共融)和集群協同(機-機共融)三種協同策略。這些協同的設計和控制策略有助于實現微型仿生機器人向共融機器人方向發展。

微型仿生機器人技術領域涉及仿生、電子、機械、材料、控制等多學科的技術交叉，未來在這些學科各自發展和融合發展的過程中，微型仿生機器人也會隨之產生技術升華。在不久的未來，與真實的微小生物外形無異、運動能力相比肩甚至更勝一籌的微型仿生機器人很有可能會成為現實，隨之帶來新一代機器人技術的革命浪潮。

作　　者：羅自榮

責任編輯：趙子祎

責任校對：向映姣

審　　核：張　強

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