然而，这些机器人系统非常庞大，通常占据整个房间。现在，哈佛大学的研究人员开发的一种网球大小的微型机器人能够在微观尺度上处理精细的任务，结构简单，便于制造。这项研究已发表在《自然机器智能》杂志上。

研究小组制作了一个平行四边形作为机器人的主体结构，然后制造了三个线性执行器（mini－LAs）来控制机器人的运动：一个平行于平行四边形的底部，平行四边形的底部用来提升和降低机器人，另一个垂直于旋转它的平行四边形，在平行四边形的顶端有一个，它可以伸缩正在使用的工具。其结果是制造出一种比学术界先前开发的其他显微外科设备小得多、重量轻得多的机器人。

这个以折纸为灵感的微型机器人是用一种先进的制造技术组装而成的，在这种技术中，材料层叠在一起，激光切割形成平行四边形。同时，微小的线性执行器由压电陶瓷材料组成，压电陶瓷材料在电场的作用下变形产生运动，同时还有光学传感器，以确保运动部件沿着期望的路径运动。

在测试中，研究小组让机器人进行模拟遥控手术，模拟人手移动笔状工具的动作。研究人员通过显微镜对人类进行观察，并跟踪一个比圆珠笔笔尖小的正方形，然后让他们用机器人来追踪正方形，然后让他们重复这项任务。试验证明，机器人的准确率提高了68％。

随后，研究人员模拟了视网膜静脉插管的手术过程，视网膜静脉插管通常需要一名外科医生在眼球后部的静脉注射治疗药物。模仿过程中，研究小组使用了一根与这些细小静脉大小差不多的硅胶管，这些细静脉的厚度大约是人类头发的两倍。机器人能够用一根附在身上的针头干净地刺穿管子，而不会造成任何不必要的损坏。

另外，这种小型机器人还易于安装。现在，研究小组希望通过增加执行器的力和定位来进一步改进设计，使其更加强大和精确。在未来，我们或将看到这项工作将对外科机器人技术产生的影响。

在过去的半个世纪中，微创腹腔镜手术使外科医生使用工具，并在小切口中插入了微型摄像头来进行手术，这使得手术过程对于患者和医生而言都更加安全。

近来，外科手术机器人开始出现在手术室中，以允许外科医生一次以比传统技术更大的精度，灵活性和控制力来操纵多个工具，从而进一步为外科医生提供帮助。

但是，这些机器人系统非常庞大，通常占用整个房间，其工具可能比其操作的脆弱组织和结构大得多。

Wyss副教授Robert Wood博士与Sony Corporation的机器人工程师Hiroyuki Suzuki的合作通过创建一个新的，受折纸启发的微型远程运动操纵器（“ mini－RCM”），将外科机器人技术降到了微尺度。

如最近一期的《自然机器智能》（Nature Machine Intelligence）所述，该机器人只有网球大小，重达一便士，并且成功完成了一项艰巨的模拟外科手术任务。

“伍德实验室在制造微型机器人方面的独特技术能力在过去几年中带来了许多令人印象深刻的发明，我坚信它也有可能在医疗机械手领域取得突破，”铃木说，他是哈佛与索尼合作的一部分，他于2018年开始与伍德合作开发小型RCM。“这个项目取得了巨大的成功。”

微型机器人，用于微任务

为了创建微型手术机器人，Suzuki和Wood求助于Wood实验室开发的Pop－Up MEMS制造技术，该技术将材料彼此叠层沉积在一起，然后按照特定的图案进行激光切割，允许所需的三维形状“弹出”，就像在儿童弹出式图画书中一样。

这项技术大大简化了小而复杂的结构的批量生产，否则这些结构必须手工精心制作。

该团队创建了平行四边形形状以用作机器人的主要结构，然后制造了三个线性致动器（mini－LA）来控制机器人的运动：一个平行于平行四边形底部的升降器，一个垂直于该平行四边形的底部以升降。平行四边形旋转它，并在平行四边形的尖端延伸或缩回使用中的工具。

其结果是，该机器人比以前在学术界开发的其他显微外科手术设备更小，更轻。

mini－LA本身就是微型奇迹，围绕着压电陶瓷材料构建，当施加电场时，压电陶瓷材料会改变形状。

形状的变化将mini－LA的“行进器单元”像火车上的火车一样沿着其“轨道单元”推动，并利用线性运动来移动机器人。

由于压电材料在改变形状时会固有地变形，因此该团队还将基于LED的光学传感器集成到mini－LA中，以检测和校正与所需运动的任何偏差，例如由手震引起的偏差，。

比外科医生的手更坚固

为了模拟遥控手术的情况，研究小组将mini－RCM连接到Phantom Omni设备，该设备响应用户控制笔形工具的手的运动来操纵mini－RCM。

他们的第一个测试评估了人类追踪显微镜的能力，该方块比圆珠笔的笔尖小，可以通过显微镜观察，或者手动追踪，或者使用mini－RCM追踪。

mini－RCM测试极大地提高了用户的准确性，与手动操作相比，将错误减少了68％－考虑到维修人体细小结构所需的精度，这一点特别重要。

微型RCM在示踪测试中获得成功后，研究人员随后创建了一个模拟程序，称为视网膜静脉插管手术，在该模拟手术中，外科医生必须小心地将针头插入眼睛，以将治疗剂注入到后部的细小静脉中。眼球。

他们制造了一个与视网膜静脉大小相同的硅胶管（大约是人类头发粗细的两倍），并成功地用连接在mini－RCM末端的针刺穿了硅胶管，而不会造成局部损伤或破坏。

mini－RCM的体积小巧，除了可以执行精细的手术操作外，还具有另一个重要优势：易于安装和安装，并且在发生并发症或停电时，可以很容易地将机器人从用手病人的身体。

“弹出式MEMS方法在许多需要小型但复杂的机器的领域中被证明是一种有价值的方法，并且非常高兴地知道它有潜力提高手术的安全性和效率，从而使手术变得更加安全。伍德说，他也是哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的查尔斯河工程与应用科学教授。

研究人员旨在增加机器人执行器的力，以覆盖操作过程中遇到的最大力，并提高其定位精度。

他们还在研究在加工过程中使用具有较短脉冲的激光，以提高mini－LA的感测分辨率。

“伍德实验室和索尼之间的这种独特合作说明了将现实世界中的行业重点与学术创新精神相结合所能带来的好处，我们期待着这项工作对近期的外科手术机器人产生影响。 Wyss研究所的创始董事Don Ingber博士说，他还是哈佛医学院和波士顿儿童医院的犹大Folkman生物学教授，还是SEAS的生物工程学教授。

当激光照在光伏电池上时，机器人会行走。

这些机器人绝对很小－高达14，000立方微米－约为草履虫大小。

据说冠状病毒的直径约为120纳米。有1，000纳米到1微米或微米。换句话说，这些机器人足够小，可以直接处理冠状病毒颗粒，而又足够大，可以将大量的它们捕获起来。

由康奈尔（Cornell）领导的合作研发了被称为第一个结合了半导体组件的微型机器人，从而使它们能够通过标准电子信号进行控制并使其行走。

这些机器人的大小大约为草履虫大小，为利用基于硅的情报构建甚至更复杂的版本提供了模板，可以批量生产，并且有一天可能穿越人体组织和血液。

这项合作是由物理学教授Itai Cohen，艺术和科学学院的John A． Newman物理科学的Paul McEuen教授以及他们的前博士后研究员Marc Miskin领导的，他现在是宾夕法尼亚大学的助理教授，振工链工业自动化平台。

该团队的论文“电子集成，批量生产的微型机器人”于2020年8月26日在《自然》杂志上发表。

从微观传感器到基于石墨烯的折纸机，步行机器人是Cohen和McEuen以前的纳米级产品的最新迭代，并且在许多方面都是进化。

新的机器人厚约5微米（一微米是一米的百万分之一），宽40微米，长度范围从40到70微米。

每个机器人都由一个简单的电路构成，该电路由硅光伏材料制成，该电路本质上起着躯干和大脑的作用，而四个电化学致动器起着腿的作用。

就像微型机器可能看起来很基本一样，创造腿是一项巨大的壮举。

“在某种意义上说，从机器人的大脑来看，我们只是在利用现有的半导体技术，使它变得小巧而可释放”，纳米级科学和微系统工程（NEXT Nan

o）工作组联合主席McEuen说，教务长的自由基合作计划的一部分，并指导康奈尔大学纳米科学的卡夫利研究所。

麦克尤恩说：“但是腿以前不存在。” “没有可以使用的小型电激活执行器。因此，我们必须发明这些，然后将它们与电子设备结合起来。”

该团队使用原子层沉积和光刻技术，用厚度仅为几十个原子的铂金条构造了支腿，铂金的一侧被一层惰性钛覆盖。

在对铂施加正电荷时，带负电的离子将从周围溶液中吸附到暴露的表面上，以中和电荷，振工链工业自动化平台。

这些离子迫使裸露的铂膨胀，使带弯曲。条带的超薄特性使材料可以急剧弯曲而不会断裂。

为了帮助控制3D肢体运动，研究人员在条带顶部构图了刚性聚合物面板。面板之间的间隙就像膝盖或脚踝一样起作用，从而允许腿部以受控方式弯曲，从而产生运动。

研究人员通过在不同的光电装置上闪烁激光脉冲来控制机器人，每个光电装置为一组单独的腿充电。通过在前后光伏之间来回切换激光，机器人可以行走。

“虽然这些机器人的功能很原始－它们不是很快，但它们没有很多计算能力－我们为使它们与标准微芯片制造兼容而进行的创新为使这些微型机器人变得智能化打开了大门，快速且可批量生产。”科恩说。

“这实际上只是弓箭的第一枪，嘿，我们可以在一个微型机器人上进行电子集成。”

机器人肯定是高科技的，但是它们以低电压（200毫伏）和低功率（10纳瓦）运行，并且在尺寸上保持坚固。由于它们是采用标准光刻工艺制造的，因此可以并行制造：在4英寸的硅晶圆上可安装约100万个机器人。

研究人员正在探索用更复杂的电子设备和机载计算来增强机器人的方法－改进有一天可能会导致大量微型机器人爬行并重组材料，缝合血管或被大规模派遣以探测大范围的机器人。人脑。

“控制一个小型机器人可能会尽可能地缩小自己。该研究的主要作者米斯金说：“我认为像这样的机器将把我们带入各种各样的世界，这些世界太小了而看不见。”

合著者包括Samuel B． Eckert工程学教授David Muller。康奈尔总统博士后研究员Alejandro Cortese博士；博士后研究员刘庆坤；博士生曹Michael，凯尔·多尔西和迈克尔·雷诺兹；和爱德华·埃斯波西托（Edward Esposito），前科恩实验室的大学职员兼技术员。

“这项研究突破为研究与活性物质物理有关的新问题提供了令人兴奋的科学机会，并可能最终导致未来派机器人材料的发展，”美国陆军研究办公室项目经理山姆·斯坦顿说。研究实验室，为研究提供了支持。

空军科学研究所，康奈尔大学材料研究中心（由美国国家科学基金会的材料研究科学与工程中心计划）以及康奈尔大学纳米科学专业的卡夫里研究所提供了额外的支持。这项工作是在康奈尔大学纳米级科学技术实验室进行的。

         为了尽量减少人在危险工作环境中的工作，各垂直领域正在越来越多的使用机器人，比如，石油、天然气、饮用水等运输管道网络的检测和维修。据ZionMarketResearch指出，未来六年，全球管道检查机器人市场估计将超过20亿美元，是目前6亿美元销售额的三倍多。

         去年，英国政府与包括谢菲尔德在内的六所大学开展了一项耗资3500万美元的研究，开发“昆虫机器人”，用于修复地下管道网络。
 

         英国政府的目标是开发出一种1厘米大小的机器人，这种机器人将能通过水、天然气和污水管道，进行管道故障检测。
 

         英国谢菲尔德大学机械工程教授KirillHoroshenkov表示，他们的研究不仅是商业性的，同时也是保持安全可靠的水和能源供应的根本。
 

         KirillHoroshenkov和他的团队进一步扩展了团队的研究目标，他表示，“我们的新研究计划将帮助公共事业公司监控隐藏的管道基础设施，并在出现问题时快速有效地解决问题。”这项创新将首次在地下管道中部署具大量有长期自主性的微型机器人，以及其它新兴的管道内传感器、导航和通信解决方案。
 

         2017年12月，智能化管网泄露检测技术公司PureTechnologies被水及污水处理解决方案供应商Xylem以超过5亿美元的金额收购。Xylem通过收购PureTechnologies，将业务扩大到了石油和天然气市场，使用机电一体化数字检测进行管道检修。
 

         Pure近25%的业务在石油和天然气行业。如今，Pure提供了一套用于地面和管道内部相连的检测的产品，以及数据管理软件。除了向能源行业销售机器、传感器和分析设备，该公司还在全球数千条输水管道中成功部署了设备。
 

         今年2月，测试设备供应商Eddyfi收购了半自动爬行系统机器人制造商Inuktun，这是Eddyfi在不到三年的时间里进行的第六次收购。Eddyfi的CEOMartinthriault表示，将Inuktun的机器人与Eddyfi的传感器和仪器相结合，可以实现按客户要求定制解决方案。
 

         虽然目前大多数微型机器人技术都专注于检测，但微型机器人将有很大可能被用于修复管道。

         哈佛大学教授RobertWood设计了一款可移动的微型机器人，执行搜索和救援任务。劳斯莱斯工程师受到这种微型机器人的启发，去年夏天，他们开发了依靠用于飞机引擎修理的微型机器人。劳斯莱斯公司的JamesKell表示，如果这些检测修理工作由人工来完成，或许需要5个小时，但有了这些微型机器人，它们可能只需要5分钟就能完成整个检测和修理过程。
 

         哈佛大学研发的机器人对于管道系统来说不够微型，在通过喷气发动机时，会产生摩擦，发出嗡嗡声。为解决这一问题，RobertWood与诺丁汉大学建立了制造和在线技术中心，用于设计和建造一系列定制服务，并研发出了能够远程执行喷气发动机检修的定制微型机器人。
 

         该项目的负责人英国诺丁汉大学DragosAxinte表示，他们的研发工作，可以结合远程控制策略，将机器人的响应时间从几天减少到几个小时。他说：“我们的机器人有一天也可以用于石油、天然气和核能等其他行业。”

         结语：微型机器人能减少管道事故发生
 

         机器人可以用于不适合人类工作的危险领域，或者用于完成人类无法完成的复杂工作。管道检测机器人能帮助人类完成地下管道的日常检修和维护，不仅解决了人工检测危险太大的问题，还极大的提高了管道维修的工作效率。
 

         微型机器人的研发取得的不仅是商业上的成就，将微型检修机器人用于石油、天然气、核能的管道检修工作中，还能避免由于管道破裂造成的危险事件，同时也是对能源的保护，这也是微型机器人所取得的社会意义上的成就。