中科院瀋陽自動化所劉連慶研究員課題組：利用氣泡作為微型機器人實現零件的操縱和裝配

工業機器人已被廣泛應用於製造和組裝，但是在微觀尺度上，大多數組裝技術只能將微模塊簡單的排列在一起，很難將其裝配在一起形成一個不易分散的實體。近日，中國科學院瀋陽自動化研究所劉連慶研究員領導的微納米機器人課題組利用激光產生和控制的氣泡作為微型機器人，將不同形狀和功能的微小零件裝配在一起。這些微小零件是通過PμSL 3D打印技術（摩方精密，nanoArch S130）製備而成。在這項研究中，表面氣泡充當芯片上的微型機器人。這些微型機器人可以移動、固定、抬起和放下微型零件，並將它們集成在一起，形成緊密連接的實體。
以燕尾形零件的裝配過程為例（圖1），氣泡機器人首先將帶有榫舌的微型零件抬起，而後另一個移動微氣泡機器人將帶有卯眼的微型零件移動至指定的位置，原先的微氣泡在激光關閉後緩慢消失從而使得榫舌結構插入卯眼中。用此方法裝配的微型零件可以作為一個整體運動而不會分離。類似地，將不同類型的零件整體組裝可以得到不同的結構，例如齒輪、蛇形鏈條和車輛，然後由氣泡微型機器人驅動它們以執行不同形式的運動。這種組裝技術既簡單又有效，有望在微操作、模塊化組裝和組織工程中發揮重要作用。該工作以“Integrated Assembly and Flexible Movement of Microparts Using Multifunctional Bubble Microrobots”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。 https://doi.org/10.1021/acsami.0c17518

當激光照射在非晶矽表面時，由於光熱效應，在固液界面處會產生一個氣泡，並可在激光的控制下進行移動。當氣泡產生在微模塊的底部時，氣泡可將微模塊抬起。本研究利用氣泡產生過程快而溶解過程慢的特點，先控制一個氣泡將微零件抬起，然後利用第二個氣泡移動另一個微零件。當第一個氣泡緩慢消失時，第一個零件緩慢落下，兩個微零件能夠裝配在一起。利用氣泡對微零件的三維操作能力，將二維組裝變為三維裝配。

利用不同形狀的微零件，可以得到齒輪（圖2）、鏈條（圖3）和小車（圖4）等不同的結構，這些結構在氣泡的驅動下可以進行多種靈活的運動。

總而言之，該研究利用微小氣泡作為機器人，對微零件進行抬起、移動、固定等操作，並利用氣泡機器人的三維操作能力，將多個零件裝配成整體，提供了一種新的微尺度操作和裝配技術。

以上相關介紹內容由中科院瀋陽自動化所微納米機器人課題組代利國博士提供

1、BMF：請問利用氣泡作為微型機器人來操縱微型零件有哪些優勢？潛在的應用有哪些？

代博士：氣泡作為微型機器人，可以對單個的零件進行多種形式的操作，特別是可以控制微模塊的三維姿態，這是其相比於其他微納操作技術的優勢。其可以用於操作細胞、顆粒和微模塊等，在生物醫學、組織工程等領域都有應用前景。

2、BMF：請問在這次研究中，為什麼採用微尺度3D打印的製備方式？

代博士：我們設計的零件包含各式各樣的微米尺度接頭，比如燕尾形的榫舌和卯眼等，其中最小細節尺寸30μm，並且這些結構有尺寸配合的要求。摩方公司的3D打印技術可以很好的滿足我們的要求，尺寸和形狀都可以按照設計進行靈活加工，誤差也在可控範圍內。此外，面投影光刻3D打印技術可以批量化快速製作零件，有助於實驗的順利完成。