微型仿生机器人研究现状综述

微型仿生机器人研究现状综述* 罗自荣洪阳蒋涛林泽宁杨云朱群为 (国防科技大学智能科学学院长沙410073) 摘要：微型仿生机器人作为尺寸在厘米级及以下的微型机电系统，具有体积小、质量轻、便于携带等特点，被广泛应用于环境探测、目标搜索、侦查打击等复杂环境中。为使广大研究人员了解微型仿生机器人的研究进展，基于全球最大的文摘和引文数据库Scopus对近15年的相关文献进行总结和分析，直观描绘了微型仿生机器人领域的发展趋势。从微型仿生机器人的仿生运动形式、制造技术、驱动技术三个关键点入手，辅以生物机电混合微型机器人特殊研究方向的介绍，总结了微型仿生机器人的总体特征和研究现状。分析目前微型仿生机器人发展的技术瓶颈，提出能源-驱动-感知-控制全柔性一体化的发展思路，同时促进一体化制造技术的创新发展。基于军事和反恐防暴应用背景，充分分析微型仿生机器人的特征优势，进行以微型仿生机器人为核心的作战应用构想，并拓展讨论了微型仿生机器人在民用方面的应用。最后，对现有微型仿生机器人的不足与未来发展进行讨论与总结，为微型仿生机器人技术领域的发展及其军事应用前景提供有价值的参考。 Review of Micro-bionic Robots LUO ZirongHONG YangJIANG TaoLIN ZeningYANG YunZHU Qunwei(College of Intelligent Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073) Abstract：As a micro-electromechanical system with a size of centimeters or below, micro-bionic robots have the characteristics ofsmall size, light weight and excellent portability. They are widely used in complex environments such as environmental detection,target search, reconnaissance and strike. In order to enable researchers to understand the research progress of micro-bionic robots, asummary and analysis of relevant literature in the past 15 years are conducted based on the world’s largest abstract and citationdatabase Scopus, providing a visual depiction of the developmenttrends in thefield of micro-bionicrobots. Thegeneralcharacteristics and research status of micro-bionic robots are summarized from the three key points of the bionic movement form,manufacturing technology and driving technology of micro-bionic robots, supplemented by the introduction of the special researchdirection of bio-electromechanical hybrid micro robots. The technical bottleneck of the development of micro-bionic robots is fullyanalyzed, and the development idea of energy-driving-sense-control full flexible integration is put forward, which promotes theinnovative development of integrated manufacturing technology. Based on the military and anti-terrorism and riot control applicationbackground, the characteristics and advantages of micro-bionic robots are fully analyzed, and the combat application conception withmicro-bionic robots as the core is carried out. In addition, the application of micro-bionic robots in civil life is discussed. Finally, theshortcomings and future development of the existing micro-bionic robots are discussed and summarized, which provides a valuablereference for the development of the micro-bionic robots technology and its military application prospect. Key words：micro-bionic robots；driving technology；manufacturing technology；full flexible integration；military application 文和高水平期刊论文的发表情况。会议论文数量始终保持稳定，但相关高水平期刊论文数量以喜人的态势高速增长，尤其是影响因子(Impact factor, IF)大于10的高水平期刊论文，2023年发表数量近2022年发表数量的3倍。图1c和图1d显示了近15年有关微型仿生机器人研究的高水平期刊论文发表情况 0前言 随着科技水平的高速发展，机器人已经成为人类社会不可缺少的重要组成部分，涵盖工业生产、医疗服务、勘探监测等众多领域[1-4]。传统意义上的机器人多为常规尺寸的机械式机器人，虽然它们技术成熟、结构简单，但存在体积和重量偏大、噪音和功耗较大、系统集成化程度不高等客观技术问题[5-6]。当工作环境变为狭窄空间等复杂环境时，传统常规机器人受自身刚性结构尺寸的物理限制无法正常运行或充分发挥作用。此时，自然界具备优秀运动能力的诸多微小型生物(如蜜蜂、甲虫等)为研究人员带来了启发。这些生物体积小、运动能力强、功能能力突出，可以自如地在各种狭小复杂环境中完成特定的生物活动任务。研究人员通过对这些微小型生物进行物理外形和功能结构的仿生学研究，开发出众多的微型仿生机器人。 自然界生物种类繁多，由此微型仿生机器人的种类和功能也丰富多样，它们有着多种运动形式(如爬行、飞行、跳跃、游动)[7-10]，基于不同的制造技术(如3D打印技术、4D打印技术、智能复合微结构技术(SCM)、形状沉积技术(SDM)、软光刻技术、弹出式微机电系统(Pop-up MEMS)制造技术)[11-18]，采用不同的驱动方式(如智能材料驱动、流体驱动、化学驱动)[19-22]，更有着生物机电混合系统特殊类型[23-24]。图1中的文献计量分析显示了科研人员对微型仿生机器人研究领域日益增长的兴趣。 图1中的文献计量分析数据是基于Scopus数据库进行检索统计的，文献数据包含未见刊但已在线发表的文献。图1a显示了仿生机器人和微型仿生机器人研究领域的热度发展趋势。在2009年之前，有关仿生机器人和微型仿生机器人研究领域的文献主要以零星的探索性论文为主。从2009年开始，有关这两个主题的文献数量呈稳定增长趋势。自2017年之前，相关文献基本保持每年以固定的数量线性增长，表明这一研究领域所产生的动力虽不突出但能保持平稳的发展态势。从2017年开始，有关仿生机器人和微型仿生机器人研究的文献数量的增长速度呈现逐年猛增的态势(表征为数据图中折线斜率的变化)。图1a有根据地表明微型仿生机器人研究领域的影响力正在以惊人的速度迅速建立。图1b显示了近15年有关微型仿生机器人研究的会议论 人领域著名的研究团队，在微型爬行机器人和微型飞行机器人的研究中都有着世界领先的技术和成果，HAMR(Harvard Ambulatory MicroRobot)是其团队多次登上国际顶尖期刊的代表作品。 HAMR是一款受蟑螂启发的可移动且高度灵巧的多功能微型爬行机器人，拥有60多个关节，包括模仿蟑螂的髋关节和腿关节，采用弹出式微机电系统工艺制造。HAMR作为哈佛大学团队的得意之作，在不断迭代优化的过程中，其衍生版本也较为丰富。第一代的HAMR质量约2.8 g、长约4.8 cm，体型与现实生活中的蟑螂相似。其最大移动速度可达约每秒8.4个身长(40 cm/s)[25]。之后，哈佛团队在其基础上不断尝试技术突破，HAMR-VI的质量经过削减仅为1.9 g，但其负载量提高到了2.9 g，如图2a所 示[27]。 此 外 ，HAMR-E、HAMR-F、HAMR-DSC和HAMR-JR等衍生版本也相继问世。经过特殊功能优化改进的HAMR配合腿上的脚垫，可以利用水面的张力避免下沉，甚至可携带1.44 g的载荷在水面行走，其腿部摆动频率可达10 Hz[43]。 (截至2024年1月16日)。《IEEE Robotics andAutomation Letters》期刊发文数量最多为12，占比6.38%；《Nature Materials》期刊的IF最高为41.2，第二《Advanced Materials》期刊IF为29.4。图1b～1d表明微型仿生机器人研究领域受世界瞩目，已跻身当今世界科研领域前沿。 本文从微型仿生机器人的仿生运动形式、制造技术、能源与驱动技术三个关键点入手，并配合生物机电混合微型机器人特殊研究方向的介绍，对微型仿生机器人的研究现状进行了总结。随后，基于研究现状分析目前发展的技术瓶颈，提出半能源-驱动-感知-控制全柔性一体化的构想。同时，基于特殊的军事应用需求场景，依托微型仿生机器人的特征优势，进行了基于微型仿生机器人的作战应用构想。最后，对现有微型仿生机器人的不足与未来发展进行讨论与总结，为微型仿生机器人的发展与应用提供有价值的参考。 1微型仿生机器人仿生运动形式 自然界生物具有四种基本的运动形式：爬行、跳跃、飞行、游动，那么以自然界微小型生物为仿生对象所开发出的微型仿生机器人也按仿生运动形式也可分成四种：微型爬行机器人[25-29]、微型飞行机器人[30-34]、微型跳跃机器人[35-37]、微型水下机器人[38-42]。不同的运动形式有着各自的结构和功能特点。微型仿生机器人的研究在国外开始较早，至今也有了很多的研究成果和技术积累，并且相关研究一直在不断跟进创新。 2018年，哈佛大学为HAMR增加射频通信功能改进为HAMR-F，质量2.8 g，身长约4.5 cm，配备板载电池的情况下其运动速度可达约每秒3.8个身 长(17.2cm/s)[44]。 在HAMR-F亮 相 后 不 久 ，HAMR-E问世，其具有的特殊电粘脚垫、基于折纸的踝关节和定制的步态，使其能够粘附于垂直、倒 1.1微型爬行机器人 哈佛大学的Wyss仿生工程研究院是微型机器 置和弯曲的表面，HAMR-E通