微纳机器人的设计与制造：从耦合设计到复合制造
微纳机器人的设计与制造：从耦合设计到复合制造
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。近期，哈尔滨工业大学李隆球教授团队在《极端制造》期刊上发表综述文章，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”，为微纳机器人的发展提供了新的视角。
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。
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。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。
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。
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 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
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。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。
图3 微纳机器人复合制造方法典型案例
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。
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
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，将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。