科创中国

问题描述：

随着先进制造的技术积累和技术进步，在微机电系统和微米纳米先进制程的辅助与推进下，机器人技术也在微小尺度上飞速进步和发展着。微纳机器人在微小尺度的应用主要有两种不同的形式。第一类主要是机器人本身的尺度较小，可达1mm以下，其较小的尺寸使得机器人本身可以进入人体器官，如血管和消化道，对人体健康实行直接检测或者成为辅助手术和治疗的手段。因此，这种微纳机器人类型的应用，在医疗诊断设备领域引起了重大反响。同时，由于这类机器人的微小尺度，其隐蔽性和移动性较高，在军事侦察领域也有重大应用价值。第二类微纳机器人的小尺度体现在其操作能力和精度上，机器人本身的控制和驱动系统的体积大小并不属于微小尺度，但是其末端执行器的操作精度可达纳米水平。这类微纳机器人在微电子产业和生物医疗产业有着广泛的应用，其应用对象包括大规模集成电路，微纳米机电系统，纳米传感器，以及细胞器，DNA，染色体等从十几纳米到亚微米大小的生物组织。末端执行器上一般会加载力学，热学和化学等传感器来记录目标信息从而为纳米制程或药物开发提供有用的信息。现阶段的研究的难点和挑战方向集中于进一步缩小第一类微纳机器人的体积，和提高第二类微纳机器人的操作精度，同时在两类机器人上添加更先进的传感器和控制系统。图一，a）香港中文大学的外磁场驱动机器人群，第一类微纳机器人；b）哈尔滨工业大学的微纳操作机器人，第二类微纳机器人

问题产生背景：

鉴于微纳机器人多学科交叉融合的背景和前沿高科技的重要战略意义，以及在微电子，机械，医药，材料，机电和军事等领域的广阔前景，各国政府，研究机构和企业都对该方向投入重大。早在1990年，美国和日本都对该方向的研究及产业化制定了专门的发展计划：其中美国以集成电路微电子技术为主要的微纳机器人应用方向，在美国国家自然基金会（NSF）和国防部先进研究计划署（DARPA）优先项目的支持下，依托重点大学如加州大学伯克利分校和科研实力雄厚的企业如IBM和朗讯公司，在研究的早期就实现了成功的商业化。日本的研究重点则在精密加工技术上，1991年就启动了大型研究计划“微机械十年”，价值达2.5亿美元。中国的微纳机器人起步稍晚，在上世纪末由国家863计划牵头支持，重点由高校和科研院所组织研发，企业在研究初期的参与度较低。不过由于科研的人员的努力追赶和后发优势，中国的微纳机器人研制较为全面，在微电子技术，传感器制造，机械精密加工，生物医疗技术等广泛的应用方向都有成果展现。在微纳机器人不同类别的研制上，既有机器人本身体积较小的微尺度机器人，也有末端执行器操作精度高的微纳操作机器人。

最新进展：

一批高校和科研院所在微纳机器人的研制方向取得了代表性的成果：南开大学的生物工程微操作机器人研究组从1997年开始研发第一代可以自动进行生物显微实验的微操作机器人系统样机，到成功实现对直径在十几微米，厚度小于5微米的动物细胞转基因注射并达到70%的正常表达率，再到今年成功实现微纳机器人操作克隆猪。中国农业科学院的育种团队使用微纳操作机器人实现了植物细胞染色体的微切割，推进了基因直接修饰编辑在作物栽培上的应用。北京航空航天大学研制的微纳机器人系统具有全局闭环视觉反馈系统，在压电陶瓷驱动和先进柔性铰链的连接下，成功实现了对小鼠卵细胞进行显微操作。中国科学技术大学则把研发的重点放在了光学末端执行器上，用光镊，光切割等技术实现微纳尺度的显微操作，在细胞和亚细胞层面实现捕获，移动，融合，在作物转基因实验上取得了成功。哈尔滨工业大学的微纳机器人团队在他们的系统上实现了2微米到5纳米的线位移分辨率，同时其粗运动行程达到25毫米，旋转运动行程达180度，该平台实现了纳米级高精度操作，为微电子制造和微纳机电系统和传感器的制备与测试提供了平台。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和大连理工大学利用微纳机电技术搭建的微操作机器手，其视觉追踪系统实现了显微立体成像，提高了系统平台的效能。

重要意义：

经过十几年的发展，中国的微纳机器人的研究在中国经济发展的大环境下，得益于不断加大的科研经费投入，中国工业和科研水平的整体大幅进步，与市场和企业的需求和研发显著增加，取得了突破性的成果。作为一门交叉性极强的学科，微纳机器人的研发体现了机械，电子，计算机科学，半导体技术，机器人学的发展，同时又为生物医疗，精密制造等学科和工业提供了有效工具，是具有标志性的重要工程课题。