极端制造 | 微纳机器人的设计与制造|微纳机器人的设计与制造|李隆球|材料|极端制造

作者

刘军民、庄仁诚、周德开、常晓丛、李隆球

机构

哈尔滨工业大学

Citation

Liu J M, Zhuang R C, Zhou D K, Chang X C, Li L Q. 2024. Design and manufacturing of micro/nanorobots. Int. J. Extrem. Manuf.6062006.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad720f

撰稿 | 文章作者

文章导读

微纳机器人在生物医疗、环境修复和微制造等前沿领域拥有广阔的应用前景。作为一个典型的交叉学科，微纳机器人在材料、结构、工艺、功能和应用等方面具有丰富的内涵。虽然已有多篇优秀的综述文章总结了这些方面的最新进展，但大多侧重于微纳机器人的推进机制、结构或应用，而较少关注其设计和制造过程的基本科学框架。近期，哈尔滨工业大学机电工程学院、机器人技术与系统全国重点实验室的李隆球教授、周德开教授、常晓丛副教授、刘军民博士生、庄仁诚博士生在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《微纳机器人的设计与制造》的综述，从设计与制造方法维度审视微纳机器人，提出了“以微纳机器人功能/性能为导向的一体化设计与制造策略”，系统阐释了综合考虑材料、界面、结构、功能/性能的微纳机器人耦合设计方法，以增材制造为核心辅以等/减材制造的复合制造方法，并从微纳机器人设计、制造、检测等方面展望了未来发展方向和科学框架，为以微纳机器人等代表的功能器件一体化设计与制造提供了新的视角。

关键词

微纳机器人；功能结构；设计；制造

亮点

总结了微纳机器人的材料-界面-结构-功能/性能耦合设计方法
综述了微纳机器人的制造方法
讨论了微纳机器人功能结构的增/等/减材复合制造方法
提出了微纳机器人在设计、制造和检测三方面的未来发展方向

图1微纳机器人的耦合设计与复合制造方法

研究背景

微纳机器人能够将环境中其他形式的能量转化为自身动能，并能在液相介质中执行传感、货物运输和微操作等任务，因此在生物医疗、微纳制造和环境工程等领域展现出巨大的应用潜力。在过去十年里，微纳机器人在材料、驱动、控制和制造技术方面取得了显著进展。从金属、聚合物到生物材料等各种材料已被应用于具有不同功能的微纳机器人中。与此同时，化学场、超声场、光场、电场和磁场及其混合场在微纳机器人的驱动和控制中发挥着重要作用。多种制造方法的不断发展进一步推动了微纳机器人的进步。尽管微纳机器人种类繁多，但它们普遍具备运动性、可控性和负载能力这三个核心功能，这些功能是微纳机器人执行各种任务的基础。实现这些功能的程度被称为“性能”，它在很大程度上决定了微纳机器人执行任务的效率和质量。因此，设计和制造高性能微纳机器人已成为迫切需求。

为了在复杂动态环境中导航并完成任务，高性能微纳机器人通常需要具备多材料（如金属材料、智能材料、复合材料）、复杂结构（如非对称结构、刚柔耦合结构、可变形结构），并在微纳尺度上集成多种功能（如运动、可控、货物运输）。然而，这些需求给高性能微纳机器人的设计和制造带来了诸多挑战。首先，由于多材料分布、表/界面特性和跨尺度结构特征对微纳机器人性能的复杂影响，传统串行设计策略难以实现高性能微纳机器人的有效设计。其次，单一制造技术难以满足高性能微纳机器人复杂多材料三维结构的高度集成制造要求。为了解决这些问题，材料-界面-结构-功能/性能耦合设计方法和增/等/减材复合制造方法成为突破高性能微纳机器人设计和制造难题的关键。在本文中，李隆球教授等人提出了“以微纳机器人功能/性能为导向的一体化设计与制造”这一概念，对微纳机器人设计与制造的最新进展进行了详细介绍。

最新进展

最新进展主要分为两个部分：耦合设计方法与复合制造方法。首先，微纳机器人的设计已从材料、结构、功能的孤立、串行设计发展到综合考虑材料、界面、结构和功能/性能的耦合设计。另外，各种增/等/减材复合制造方法已广泛应用于微纳机器人的功能结构制造中。

耦合设计方法以功能需求和功能实现为核心，将材料-功能一体化设计、界面-性能一体化设计和结构-性能一体化设计相结合的耦合设计方法，克服了微纳机器人在低雷诺数环境和微纳尺度下快速运动、灵活控制和高效装载等难题。通过优化材料、界面和结构的相互关系，这种设计方法为开发具有高环境适应性、优异稳定性和功能多样性的高性能微纳机器人提供了新的途径和突破口。图2展示了基于材料-界面-结构-功能/性能耦合设计的微纳机器人典型案例。

图2（a）Ir/SiO2 Janus化学驱微纳机器人；（b）具有多种运动模式的Fe3O4 NPs集群；（c）基于埃洛石纳米管的高负载微纳机器人；（d）具有超疏水表面的超快管状微纳机器人；（e）利用静电相互作用增强负载能力；（f）Pt与TiO2界面电子转移增强运动性能；（g）磁驱动螺旋状微纳机器人；（h）表面微结构增强运动性能；（i）可在复杂环境中导航的液体微纳机器人。（a）经许可转载。版权所有（2014）美国化学学会。（b）经许可转载。版权所有（2022）美国化学学会。（c）经许可转载。版权所有（2021）美国化学学会。（d）经许可转载。版权所有（2016）The Royal Society of Chemistry。（e）经许可转载。版权所有（2022）美国化学学会。（f）经许可转载。版权所有（2020）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（g）经许可转载。版权所有（2023）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（h）经许可转载。版权所有（2018）美国化学学会。（i）经许可转载。版权所有（2020）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。

复合制造方法与宏观尺度上主要采用减材制造不同，微纳机器人更多依赖于以增材制造为核心的增/等/减材复合制造方法来构建其功能结构。以棒状功能结构为例，根据材料分布的不同方式，棒状微纳机器人可分为径向多材料型和轴向多材料型，如图3所示。通过静电纺丝技术与冷冻切割技术的结合，可实现径向多材料型棒状微纳机器人的长径比定制化制造。模板辅助电沉积与湿法化学腐蚀的结合，为制造轴向多材料型棒状微纳机器人提供了巨大潜力，特别是利用该方法制造的柔性棒和一端凹陷的棒，均可显著提升棒状微纳机器人的运动性能。

图3（a）微流体合成结合冷冻切割技术制造径向多材料型棒状微纳机器人；（b）模板辅助电沉积结合湿法化学腐蚀制备轴向多材料型柔性棒状微纳机器人；（c）模板辅助电沉积与湿法化学腐蚀结合制造超声驱轴向多材料型棒状微纳机器人；（a）经许可转载。版权所有（2021）美国化学学会。（b）经许可转载。版权所有（2016）WILEY-VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，Weinheim。（c）经许可转载。版权所有（2013）美国化学学会。

未来展望

以功能/性能为核心的材料-界面-结构-功能/性能一体化设计与增/等/减材复合制造方法有助于开发多功能/高性能微纳机器人，预计在生物医学、环境修复、微纳制造等各种潜在应用中发挥重要作用。为了应对未来的应用需求，微纳机器人发展的预期趋势主要集中在设计、制造和检测三个方面。在设计阶段，基于人工智能的材料-结构-功能集成设计系统将突破研究人员经验性和主观性设计的局限，提升多信息处理能力。在制造阶段，多尺度/多材料增/等/减材复合制造工艺和装备将避免分步制造方式所带来的功能/性能失效风险。在检测阶段，对微纳机器人的功能和性能进行测试和评估将显著提高设计和制造微纳机器人的准确性和可靠性。此外，这三个阶段并行协作，并通过实时数据传输实现信息互通，从而推动微纳机器人研发过程中全流程的信息融合与智能优化。该文设想的包括人工智能设计系统、复合制造装备和原位检测系统的集成系统，如图4所示。

图4人工智能设计系统、复合制造装备和原位检测系统的集成系统示意图。

Direct 4D printing of functionally graded hydrogel networks for biodegradable, untethered, and multimorphic soft robots

可降解无约束多态软机器人功能梯度水凝胶网络的直接4D打印

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DOI:https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad1574

Triboelectric 'electrostatic tweezers' for manipulating droplets on lubricated slippery surfaces prepared by femtosecond laser processing

飞秒激光制备用于操控润滑表面液滴的摩擦“静电镊”

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DOI:https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad2cdf

International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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