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最多追加100好吧，怎么都喜欢骗人啊 微型机器人的发展和研究现状 摘要: 微型机器人是微电子机械系统的一个重要分支， 由于它能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间内作业， 近几十年来受到了广泛的关注。本文首先给出了近年来国内外出现的几种微型机器人， 在分析了其特点和性能的基础上， 讨论了目前微型机器人研究中所遇到的几个关键问题， 并且指出了这些领域未来一段时间内的主要研究和发展方向。 关键词: 微型机器人; 微驱动器 近年来， 采用MEMS 技术的微型卫星、微型飞行 器和进入狭窄空间的微机器人展示了诱人的应用前 景和军民两用的战略意义。因此， 作为微机电系统技 术发展方向之一的基于精密机械加工微机器人技术 研究已成为国际上的一个热点， 这方面的研究不仅有 强大的市场推动， 而且有众多研究机构的参与。以日 本为代表的许多国家在这方面开展了大量研究， 重点 是发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空 间医疗微系统和微型工厂。国内在国家自然科学基 金、863 高技术研究发展计划等的资助下， 有清华大 学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、广东工业大 学、上海大学等科研院所针对微型机器人和微操作系 统进行了大量研究， 并分别研制了原理样机。目前国 内对微型机器人的研究主要集中在三个领域[6] : (1) 面向煤气、化工、发电设备细小管道探测的微型机器 人。(2) 针对人体、进入肠道的无创诊疗微型机器 人。(3) 面向复杂机械系统非拆卸检修的微型机器 人。 1 微型机器人的发展和研究状况 根据国内开展微型机器人研究的实际情况， 我们 着重讨论微型管道机器人、无创伤微型医疗机器人和 特殊作业的微型机器人。 111 微型管道机器人 微管道机器人是基于狭小空间内的应用背景提 出的， 其环境特点是在狭小的管状通道或缝隙行走进 行检测， 维修等作业。由于与常规条件下管内作业环 境有明显不同， 其行走方式及结构原理与常规管道机 器人也不同， 因此按照常规技术手段对管道机器人按 比例缩小是不可行的。有鉴于此， 微型管道机器人的 行走方式应另辟蹊径。近年来随着微电子机械技术的 发展和晶体压电效应和超磁致伸缩材料磁- 机耦合 技术应用的发展， 使新型微驱动器的出现和应用成为 现实。微驱动器的研究成果已成为微管道机器人的重 要发展基础[1] 。 日本名古屋大学研制成一种微型管道机器人， 可 用于细小管道的检测， 在生物医学领域的小空间内作 微小工作。这种机器人可以由管道外面的电磁线圈驱 动， 而无须以电缆供电。日本东京工业大学和NEC 公司合作研究的螺旋式管内移动微机器人， 在直径为 Φ2514mm的直管内它的最大运动速度是260mm/ s ， 最 大牵引力是12N。法国Anthierens 等人研制出了适用 于Φ16mm的蠕动式机器人， 此种微型机器人的最大 运动速度为5mm/ s ， 负载可达20N ， 具有很高的运动 精度， 负载大， 但运动速度较慢且结构复杂。 国内的上海大学和上海交通大学都研制出了惯性 冲击式管道微机器人， 上海交通大学的微机器人采用 层叠型压电驱动器驱动; 上海大学的微机器人驱动器 有层叠型和双压电薄膜两种类型[3] 。图1 所示为双压 电薄膜微小管道机器人其运动机理， 该机器人采用双 压电薄膜驱动器， 相对于单压电薄膜， 增大了驱动 力， 提高了承载能力。该机构的最大移动速度可以达 到15mm/ s ， 具有前进、后退、上升和下降功能。 112 微型医疗机器人的发展 近几年来， 医疗机器人技术的研究与应用开发进 展很快， 微型医疗机器人是其中最有发展前途的应用 领域， 据日本科学技术政策研究所预测， 到2017 年 医疗领域使用微型机器和机器人的手术将超过全部 医疗手术的一半。因此日本制定了采用“机器人外科 医生”的计划， 并正在开发能在人体血管中穿行、用 于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。美国马里兰州 的约翰·霍普金实验室研制出一种“灵巧药丸”， 实际 上是装有微型硅温度计和微型电路的微型检测装置， 吞入体内， 可以将体内的温度信息发给记录器。瑞典 科学家发明了一种大小如英文标点符号的机器人， 未 来可移动单一细胞或捕捉细菌， 进而在人体内进行各 种手术。 国内的的许多科研院所主要开展了无创伤微型 医疗机器人的研究， 取得了一些成果。无损伤医用机 器人主要应用于人体内腔的疾病医疗， 它可以大大减 轻或消除目前临床上使用的各类窥镜、内注射器、内 送药装置等医疗器械给患者带来的严重不适合及痛 苦。中国科学技术大学在国家自然科学基金的资助下 研制出了基于压电陶瓷驱动的多节蛇行游动腹腔手 术术微型机器人， 该机器人将CCD 摄像系统， 手术 器械及智能控制系统分别安装在微型机器人的端部， 通过开在患者腹部的小口， 伸入腹腔进行手术。其特 点是响应速度快， 运动精度高， 作用力与动作范围 大， 每一节可实现两个自由度方向上±60°范围内迅 捷而灵活的动作， 图2 所示的是利用腹腔手术机器人 进行手术的场景[5] 。浙江大学也研制出了无损伤医用 微型机器人的原理样机， 该微型机器人以悬浮方式进 入人体内腔(如肠道， 食道) ， 可避免对人体内腔有 机组织造成损伤， 运行速度快， 速度控制方便。 113 特殊作业微型机器人的发展 除了上述提到的微型管道机器人和无创伤微型 医疗机器人以外， 国内外一些科研工作者广泛开展了 进行特殊作业微型机器人的研究。这种微型机器人配 备相应的传感器和作业装置， 在军事和民用方面具有 非常好的发展前景。 美国国家安全实验室制造出了有史以来世界上 最小的机器人， 这部机器人重量不到28g ， 体积为 411cm3 ， 腿机构为皮带传送装置， 该机器人可以代替 人去完成许多危险的工作。美国海军发明了一种微型 城市搜救机器人， 该机器人曾在2001 年“9111”事 件发生后的世贸废墟搜救现场大显身手。日本三菱电 子公司、松下东京研究所和Sumitomo 电子公司联合研 制出只有蚂蚁大小的微型机器人， 该机器人可以进入 空间非常狭小的环境从事修理工作， 身体两侧有两个 圆形的连接器可以与其他机器人相连接完成一些特殊 的任务。 由于自然界中的生物具有人类无法比拟的某些机 能， 因此近年来利用自然界生物的运动行为和某些机 能进行机器人设计、实现其灵活控制、受到了机器人 学者的广泛重视。国内已有多所高校和科研院所在开 展微型仿生机器人方面的研究。上海交通大学基于仿 生学原理， 利用六套并联平面四连杆机构、微型直流 电动机及相应的减速增扭机构研制出了微型六足仿生 机器人， 体积微小， 具有良好的机动性。该机器人长 30mm， 宽40mm， 高20mm， 重613 克， 其步行速度达 到3mm/ s[2] 。上海大学也进行了一些微型仿生机器人 的研究工作。 2 微型机器人发展中面临的问题 (1) 驱动器的微型化 微驱动器是MEMS 最主要的部件， 从微型机器人 的发展来看， 微驱动技术起着关键作用， 并且是微机 器人水平的标志， 开发耗能低、结构简单、易于微型 化、位移输出和力输出大， 线性控制性能好， 动态响 应快的新型驱动器(高性能压电元件、大扭矩微马 达) 是未来的研究方向。 (2) 能源供给问题 许多执行机构都是通过电能驱动的， 但是对于微 型移动机器人而言， 供应电能的导线会严重影响微型 机器人的运动， 特别是在曲率变化比较大的环境中。 微型机器人发展趋势应是无缆化， 能量、控制信号以 及检测信号应可以无缆发送、传输。微型机器人要真 正实用化， 必须解决无缆微波能源和无缆数据传输技 术， 同时研究开发小尺寸的高容量电池。 (3) 可靠性和安全性 目前许多正在研制和开发的微型机器人是以医 疗、军事以及核电站为应用背景， 在这些十分重要的 应用场合， 机器人工作的可靠性和安全性是设计人员 必须考虑的一个问题， 因此要求机器人能够适应所处 的环境， 并具有故障排除能力[4] 。 (4) 新型的微机构设计理论及精加工技术 微型机器人和常规机器人相比并不是简单的结 构上比例缩小， 其发展在一定程度上和微驱动器和精 加工技术的发展是密切相关的。同时要求设计者在机 构设计理论上进行创新， 研究出适合微型机器人的移 动机构和移动方式。 (5) 高度自治控制系统 微机器人要完成特定的作业， 其自身定位和环境 的识别能力是关键， 开发微视觉系统， 提高微图象处 理速度， 采用神经网络及人工智能等先进的技术来解 决控制系统的高度自治难题是最终实现实用化的关 键。 3 结论 微机器人还处于实验室理论探索时期， 离实用化 还有相当的距离。存在许多关键的技术没有得到解 决， 这些问题的解决过程中同时会带动许多相关学科 的发展。只有当这些问题解决以后， 微型机器人的实 用化才会成为可能。我们要勇于创新， 抓住这个前沿 课题， 将微型机器人技术应用到国民经济建设发展影 响较大的领域。 
近年来，各国科学家竞相进行太空探索。但一个不可否认的事实是，人类在热衷研究其他星球的同时，对地球本身仍缺乏足够的认识。比如，对我们所居住的地球上的海洋来说，正如一位美国海洋生物学家所说，“我们关于海底的知识还不如对火星的多”。星际探索短期内可能不会给人类带来实质性的好处，而深海中蕴藏的丰富资源却有望在不久的将来为人类造福。 日本在海洋探索方面走在了各国的前列。比如“海沟”号无人驾驶深海探测器，曾在1995年潜入世界最深的马里亚纳海沟，潜深达到10911米。但不幸的是，“海沟”号最终却在日本沿海失踪了。 “海沟”号的生命历程 1986年，日本海洋科技中心开始研制“海沟”号无人驾驶潜艇，于1990年完成设计并开始制造。“海沟”号长3米，重6吨，耗资1500万美元。它是缆控式水下机器人，上面装备有复杂的摄像机、声呐和一对采集海底样品的机械手，是世界上惟一下潜深度达到7000米的探测器。 2003年5月29日，日本科学家利用“海沟”号在日本高知县东南大约130公里左右的海域进行海底调查作业，当时“海沟”号的下潜深度为4673米。由于当年的4号台风已经开始接近这一海域，操作人员当天下午1时29分提前结束调查作业。但是在回收“海沟”号时，工作人员发现不知何原因“海沟”号已无法回到母船的发射架中。1分钟后，海面控制船与“海沟”号的光缆通信和高达3000伏的电力供应突然中断，控制船不得不采取紧急措施。 当天下午4时17分，控制船的卷扬机只回收到了“海沟”号的母船发射架，“海沟”号则因电缆断裂而不知去向。操作人员大吃一惊，连续用方位测定器向“海沟”号发射了3次信号，但控制船没有接收到“海沟”号的任何信号。 “海沟”号上搭载的电波发射器可以连续工作240小时，而电波发射器的发射范围仅在4公里左右。当时由于台风已经接近该海域，控制船上的操作人员推测认为，“海沟”号没有反应，可能是它受海浪冲击与控制船距离已经超过了4公里的范围。 此后，日本海洋科学技术中心决心找回“海沟”号，并进行了一个月的搜索，但一无所获。直至当年6月30日，日本方面才向外界公布了“海沟”号失踪的消息。日本海洋科学技术中心于当年7月4日开会研究后认为，在大片海域中即使动用声呐仪也不可能找到久已失去联系的“海沟”号，于是宣告搜索结束。 “海沟”号失踪使不少科学家痛心不已。对日本的深海科研来说，这次的损失无法估量。一些科学家甚至将“海沟”号比作航天界的“哥伦比亚”号。他们认为，这个价值5000万美元的探测器是独一无二的，它的失踪对科学研究是一个重大损失。 到深海去看看 大海正以自己特有的魅力召唤着人类。“海沟”号的失踪并不能阻止人类进行深海探测，正像“哥伦比亚”号失事不能阻止人类的航天事业一样。 今天的人类正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正日益减少。为了生存和发展，人们必须寻找新的物质来源，海洋应当是首选。因此一些科学家认为，深海给人类带来的利益要比那些耗资庞大的太空计划实惠得多。 此外，深海生物新物种的发现，在探索生命起源方面具有重大意义。 深海探测中的技术问题 在短期内，人类乘坐潜水器潜入深海还不太现实。因为在海洋中，每下潜100米就增加10个大气压，几毫米厚的钢板在1万米洋底就像大气中的鸡蛋壳一样易碎。为了克服这些障碍，从事深海探测的大部分科学家都已从有人驾驶潜水器转向机器人潜水器的研究。现在，称为“遥控潜水器”(ROV)的有绳潜水探测器和小型的计算机控制蓄电池驱动潜水器(AUV)可以由任何合适的船只操纵。此外，它们的造价也比较便宜，而且不会给操纵它的人带来任何危险。 另一种可能解决的方案是开发出能取代适于海洋最深处压力的船壳。美国海军已成功试验过利用新型的陶瓷材料制成有浮力的深潜船壳，这类船壳具有人乘坐时所需的安全可靠性。目前这种陶瓷材料的数据资料已经解密，此举必然会促进其商用开发。 而对于潜水器的浮力材料，不仅要求它能承受住巨大的压力，而且要求它的渗水率极低，以保证其密度不变，否则机器人就会沉入海底。在高压环境下，耐高水压的动态密封结构和技术也是水下机器人的一项关键技术。机器人上任何一个密封的电气设备、连接缆线和插件都不能有丝毫渗漏，否则会导致整个部件甚至整个电控系统的毁灭。 由于无线电波在水中的衰减太快，所以在水中不能使用无线电通信、无线电导航及无线电定位系统。“海沟”号与控制船之间就是利用光缆进行通信的。由控制船发出的信号以及由“海沟”摄像机拍摄到的实时图像信号均可通过光缆传输，操作人员可观察监视器上的图像，在控制船上对“海沟”号进行操作。 这些技术问题如能得到彻底的解决，海底这块最后未开发的“处女地”必将得到很好的开发和利用。届时，人类面临的一些社会问题也可有望迎刃而解。我们企盼着这一天的到来。（曲笑） 大洋探秘从海洋中探索生命的奥秘 记日本海洋科学技术中心 曲国斌 海洋被称为地球上最后一个未开拓的疆域，她不仅可以为人类提供“取之不尽、用之不竭”的能源，而且还是人类探索生命奥秘的绝好窗口。位于日本横须贺市海滨的日本海洋科学技术中心就是一所专门从事这一科研活动的规模最大的机构。 从开发资源到进一步了解地球 日本海洋科学技术中心成立于1971年，30年来它走过了3个发展阶段。日本在20世纪70年代初设立这所科研机构的目的在于开发海洋大陆架资源。它通过实施“海洋计划”开发出了可在300米的深海的高水压、黑暗和低温等严峻条件下进行作业的技术以及潜水技术和潜水系统等。80年代，为展开对深海及海洋微生物的研究，它研制了有人潜水考察船“深海2000”号、海中作业实验船“海洋”号、3000米级无人潜水器“海豚3K”号等。到90年代，它开始在世界范围内展开对海洋的全面考察和研究，为此建造了6500米级潜水考察船“深海6500”号、深海考察船“海岭”号、万米级无人潜水器“海沟”号、海洋地球考察船“未来”号、深海巡航探测器“浦岛”号，最新研制的工具是远程航行型自律无人潜水器“AUV”等。 1998年，日本海洋科学技术中心制定了新的“海洋开发长期计划”，提出“进一步了解地球”的目标，并设定了五大研究领域：揭示海洋和气候的变化机制、调查海洋海底的动态、探索海洋生态系、解析地球系统及研究新的海洋开发技术等。其中提出，21世纪的重要研究目标之一就是“探索地球生命的起源”。为此，海洋科学技术中心还启动了“深海生态环境”和“深海地球钻探计划”两个研究项目。 发现地下生物圈 1977年，美国的“阿尔宾”号潜水考察船最早在太平洋上的加拉帕戈斯岛附近2500米深的海底发现了热水（温度高达90℃）喷出孔周围存在着“热水喷出孔生物群落”。以此为契机，1984年，日本海洋科学技术中心使用“深海2000”号在距东京不远的相模滩1200米海底深处也发现了热水喷出孔生物群落，其中有在壳质形成的栖管内生活的虫类以及蜗牛、贝纲、甲壳纲、多毛纲、海葵目等的多种生物。据研究，这些动物不依赖光合作用，而把从地球内部喷出的硫化氢和甲烷等还原性低分子化合物作为初级能源，依靠由以硫酸化细菌、甲烷化细菌等为主的化学合成细菌构成的食物网供应能源。不仅如此，在相模滩及日本列岛附近的日本海沟及南海海沟等处，还发现了“冷水涌出带生物群落”。它们同样是通过化学合成而诞生的生物群落。到目前为止，在日本列岛周围海底，已经发现了18处冷水涌出带生物群落和13处热水喷出孔生物群落。 自从发现了存在于海底的热水喷出孔生物群落之后，各国科学家竞相在太平洋、印度洋和大西洋等海域寻找深海生物。结果发现，这种热水喷出孔生物大多生存在地质构造上是活动着的海岭的两侧。而且，它们之间还有某种共同之处。在考虑到海底扩大的不连贯性和海底扩大的历史过程等因素的基础上，科学家对热水喷出孔生物群落的生物地理学特征进行了比较，结果提出如下假说：“生活在大西洋的热水喷出孔生物群落里的生物是从东太平洋派生出来的，而最有可能的传播路线可能就是东南印度洋海岭和西南印度洋海岭。” 1996年，日本海洋科学技术中心使用无人探测器“海沟”号又在世界最深的海域———马里亚纳海沟查林杰海渊深度约1万米处采到了海底泥沙的标本，从中分离出来大约3000株微生物，并发现了新的微生物种类，如在1000个大气压下能够生存的超喜压性细菌、超好热性细菌、可制造有用酶的蛋白质分解酶及新的糖质分解酶的微生物等。 2000年8月，日本海洋科学技术中心使用深海考察船“海岭”号又在印度洋的中央海岭、东南海岭和西南海岭的交接处（南纬25°19′10〃、东经70°2′24〃，水深2420米）发现了热水喷出孔生物群落，共有20多种生物，其中许多都是第一次发现。这表明，即使在深海海底那样的极限环境里，也存在着多样性的生物世界。科学家们设想：地球诞生初期的微生物有可能不受外界干扰而照原样生存下来；既然海底地壳下这样严酷的环境中还有生物生存，那么，在火星等星球上也会有生命存在；如果热水喷出孔生物是适应地球诞生初期高温环境的生物的话，那么，这就有可能使我们解开地球生命起源的奥秘。 进一步探索地球生命的起源 海底堆积着各种各样的物质层，保存着有关地球的各种历史资料，由此也可以了解地球气候的变化过程。根据迄今为止的研究，80万年来，地球上曾经有过多次超过现在的高温（40℃）和寒冷（－40℃）的时代。而从1万年前开始到现在，地球在气温上处于“异常的稳定期”。更有意义的是，上述谈到的“地下生物圈”，正是探索生命起源的绝好场所。把它与地球外行星上的生命现象进行比较，将加深人类对生命、对自身的了解。 日本海洋科学技术中心为此进行超临界水中的氨基酸聚合观察实验、微生物在超临界水中的溶解实验、压力生理学实验等。科学家们发现，色氨酸能够使酵母菌在高压环境（250个大气压～300个大气压）下安然无恙地生存、发育，高等生物细胞（HeLa细胞）在400个大气压下会大大改变其骨骼形态等。 为了进一步探索地球生命的起源，日本将从2003年起，与美国联合实施“统一国际深海地球勘探计划（IODP）”。为此，日本建造了“地球”号地球深部勘探船，并于今年1月在三井造船公司冈山公司厂举行了“进水式”。这条船长210米，宽38米，高116米，深2米，吃水6米，排水量约6万吨，船员150名，能够从海底向下钻探达到5公里～7公里（这是地壳到地幔的最短距离）处的地幔。 为了实施这一国际性研究活动，日本海洋科学技术中心设立了“深海生物风险中心”，开发了“深海微生物实验系统”，其中包括地壳岩芯标本的防止微生物污染技术、地壳岩芯及岩石标本的微生物解析法、微生物分离法和培养法等技术。人们对这个计划寄予了极大期望，期待着能够在揭开生命起源之谜等方面获得进展。
未来的机器人是多种多样的有魔法机器人果树机器人还有攻击机器人……我想象的机器人是一个会变身会打扫卫生而且心地善良的机器人 它有一双用高级伸缩弹簧做的手如果有小孩落水了，就可以立刻把手伸长，去救那个小孩在它的脚上也有伸缩弹簧，它可以跨越障碍，抓住坏人在它的脚底下还有一个小型拖把，只要是它走过的地方，就会变得干干净净你看，很好用吧
