微型仿生机器人研究现状

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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

10.3901/JME.2025.03.178

引用本文：

罗自荣, 洪阳, 蒋涛, 林泽宁, 杨云, 朱群为. 微型仿生机器人研究现状综述[J]. 机械工程学报, 2025, 61(3): 178-196.

LUO Zirong, HONG Yang, JIANG Tao, LIN Zening, YANG Yun, ZHU Qunwei. Review of Micro-bionic Robots[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(3): 178-196.

原文阅读（摘要）

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。

关键词：微型仿生机器人；驱动技术；制造技术；全柔性一体化；军事应用

中图分类号：TH39

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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。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。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)，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)，采用不同的驱动方式(如智能材料驱动、流体驱动、化学驱动)，更有着生物机电混合系统特殊类 型。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(截至2024年1月16日)。《IEEE Robotics and Automation 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。

图1 基于Scopus数据库的微型仿生机器人研究领域的近15年文献计量分析(数据截至2024年1月16日)

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。

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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、微型飞行机器人、微型跳跃机器人、微型水下机器人。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。

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)。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。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。

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(17.2 cm/s)。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、倒置和弯曲的表面，HAMR-E通过静电可粘附在直立表面甚至负角度表面，直立表面速度可达1.2 mm/s，负角度表面速度可达4.6 mm/s，而其水平面上的速度可达140 mm/s。HAMR-E质量为1.48 g，长约4.5 cm，质量和体积相比于 HAMR 改变不大，因为其更注重于功能优化。

作为国内机器人研究领域的先驱，沈阳自动化研究所的微纳米课题组率先开展微型机器人方面的研究工作，在磁驱动毫米机器人、光驱动毫米机器人、热驱动毫米机器人、气泡微米机器人、细胞微米机器人、混合驱动纳米机器人等方面取得了诸多极具影响力的研究成果。他们基于甲虫研制了一款六足微型爬虫机器人，如图2b所示，体长3.5 cm，体宽2.5 cm，具备高速爬行能力，最大运动速度可达每秒5倍体长(17.5 cm/s)，同时具备良好的机动能力，可进行灵活的转弯绕圈等动作，利用搭载的硬件设备可进行音频和视频信息的拍摄回传，本身可进行视觉避障自主移动。

微型爬行机器人目标小，颜色同大部分地面接近，什么适合进行二维空间的低角度探测任务。

1.2 微型飞行机器人

相比于微型爬行机器人，微型飞行机器人的技术难度要更高。同样出自哈佛大学，RoboBee是该团队在微型飞行机器人领域的杰作。RoboBee是世界上第一款可自主飞行的昆虫大小的仿蜜蜂扑翼微型机器人，采用压电致动器驱动，经过后续的特殊改进可以从水下游泳过渡到飞行，而且可以利用静电像昆虫般停留在物体表面。具备停留物体表面的能力使得RoboBee功能上与昆虫更加接近。

2012年，第一代完整的RoboBee问世并初登《Science》，如图3a所示，它拥有每分钟能扇动120次的翅膀，质量仅86 mg，比一只真正的蜜蜂还要轻，不仅能平稳起飞，还可以做一些悬停和路径追踪的动作。2016年，头戴“草帽”电极的新一代RoboBee第二次登上了《Science》，新一代RoboBee借助着新装备“草帽”可以吸附在几乎所有常见的表面，对微型机器人来说具有里程碑意义。2017年，陈宇峰使RoboBee突破了水的表面张力，真正实现了水下过渡到飞行，并登上了机器人界顶级期刊《Science Robotics》。最新的RoboBee X-Wing第四次登上《Nature》，身高6.5 cm，质量仅90 mg，集成系统质量259 mg，通过太阳能电池供电实现了无缆飞行。RoboBee X-Wing搭载一个60 mg的光伏阵列和一个91 mg的信号发生器，其推力效率与体积相似的昆虫相当。这种昆虫大小的飞行器是迄今为止实现持续不受束缚飞行(相对于脉冲跳跃或升空)的最轻飞行器。

除了RoboBee，荷兰代尔夫特理工大学微型无人机实验室开发的仿果蝇微型飞行机器人DelFly Nimble性能也十分优秀，如图3b所示。DelFly具有出色的灵活性，能够进行360°侧倾和俯仰翻转，还能做筋斗和桶滚特技。DelFly Nimble翼展33 cm，质量29 g，能够携带4 g的额外有效负载，能在空中悬停5 min，或者单程飞行1 km。

微型飞行机器人外形同飞行昆虫相近，不易引起注意，适合进行空中或者立体空间内的各项任务。

1.3 微型跳跃机器人

自然界跳跃运动的生物多是依靠肌肉力量的爆发或者瞬间压力的释放来完成跳跃动作，微型跳跃机器人的动作原理也是与这些生物类似。

塞内加尔婴猴是动物界垂直跳跃能力最强的动物，它的体型很小，但行动敏捷，善于跳跃，一跃可达35 m。加州大学伯克利分校仿生微系统实验室受这种婴猴的启发，研发出了一个微型跳跃机器人Salto，如图4a所示，Salto的结构能实现婴猴弹跳能力的78%左右，可实现蹲伏姿势，通过蓄力在“肌腱“中可以让Salto跳得更高。2016年最初版的Salto受到跑酷动作启发，可以进行连续两次弹跳，通过第一次起跳后，Salto可以通过脚蹬墙壁指定位置进行第二次起跳，这就使Salto的总弹跳高度大大增 加。经过2018年和2020年的两次迭代更新，最新的Salto质量仅有100 g，是目前最敏捷、跳跃能力最好的有腿跳跃机器人，平均每隔0.58 s就可以进行一次高达1.2 m的跳跃，跳跃敏捷性为1.7 m/s。

康奈尔大学AUBIN等开发了一个325 mg的微型驱动器，通过甲烷的瞬时燃烧在高频率下实现驱动。其执行器可输出大于9.5 N的力，具备超过100 Hz的工作频率。它们以此驱动器为基础构建了仿昆虫微型跳跃机器人，如图4b所示，其体长29 mm，质量仅为1.6 g，有效载荷能力是其体重的22倍，垂直跳跃高度可达59 cm。该机器人以外接的导管输送燃料和氧气，并通过外接导线传输控制信号以点火，在短时间内放出大量的热量使得足底的弹性膜膨胀以实现致动。

微型跳跃机器人具备较强的越障能力，相比于爬行机器人更适合执行复杂地面环境下的各项 任务。

1.4 微型水下机器人

水下生物多依靠鳍、触手等身体部位动作进行运动，如鱼、水母等，微型水下机器人正是依靠模仿这些水下生物的独特生理结构实现自身运动的。

浙江大学以深海8 000 m处的狮子鱼为原型研发了一款微型仿生鱼机器人，如图5a所示，该机器人长22 cm(体长11.5 cm，尾长10.5 cm)，翼展28 cm。它能在马里亚纳海沟水下10 900 m的深处成功启动运行，探索了世界上最深的水下环境。在中国南海的现场试验中，它在3 224 m的深度以5.19 cm/s(即每秒0.45体长)的速度拍打双鳍成功实现自由游动(8 kV交流电压，1 Hz驱动)。这项成果有可能扩展到各种其他软设备上，未来如果集成额外的功能单元或重新排列电路则有望产生多种附加功能，例如深海中的传感和通信。

CHENG等受水母启发研制了一款仿水母微型软体机器人，如图5b所示，其具有高机动性，可以模仿天然水母的表现。机器人本体附有六个塑料桨，由有机硅弹性体制成。其最大记录游泳速度可达1 cm/s，峰值推力为0.000 12 N。这种微型机器人水母的工作原理可用于实地研究并指导软机器人和柔性设备的设计。微型水下机器人具备独一无二的水下运动能力，可执行水下环境的各类探测救援任务。

四种运动形式的微型仿生机器人有着各自的运动特点，如表1所示对上述各类型微型仿生机器人的运动特点进行了总结。

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微型仿生机器人制造技术

微型仿生机器人的制造材料种类繁多，包括智能软材料、金属材料、工程塑料等等，由此与之配套的制造技术也覆盖广泛。目前，形状沉积技术(SDM)、智能复合微结构技术(SCM)、3D打印技术、

4D打印技术、软光刻技术、弹出式微机电系统(Pop-up MEMS)制造技术等已被应用于微型仿生机器人的制造。

在这些技术中，对于以软材料为主的微型仿生机器人来说，SDM、软光刻技术和3D打印技术是近20年来广泛应用于软材料微型仿生机器人制造的成熟技术。最常用的SDM于1990年末开发，用于刚性材料的快速原型制造(RPM)，在2000年首次被用于软性粘弹性材料集成的仿生结构设计。SDM是一种多层沉积工艺，该工艺能将传感器、电路、驱动器等嵌入到软体机器本体内，常适用于刚性器件与柔性基底的集成。

软光刻技术是利用光刻胶感光后发生光化学反应而产生耐蚀性的特点，将掩膜版上的图案刻制到被加工对象表面的技术，十分适合用于微结构的制造，以便在制造过程中嵌入各种部件，常用的材料是弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)。2018年，哈佛大学和波士顿大学RANZANI等研制的由多层软光刻制作的微型仿生蜘蛛如图6a所示，在硅晶片上注入PDMS，经过曝光和脱气，采用精密激光微加工系统切割弹性体。重复上述操作12次，制备出12个不同的PDMS层并将其粘合，微型仿生蜘蛛成型。这项研究有着潜在的外科手术学和生物医学应用，而且也可以应用于可穿戴技术。与传统光刻方法相比，软光刻技术更加的灵活，不受光散射的限制，但仍存在变形问题和速度慢的问题。

与光刻等减法制造方法相比，考虑到软材料机器人的结构特点，增材制造技术更加适用。直接喷墨固化、光聚合、选择性激光烧结(SLS)和多喷射融合(MJF)等技术已被纳入聚合物的3D打印制造中。目前，3D打印是制造软材料机器人的典型技术，它能够以相对简单的方式制造复杂的结构。2016年，哈佛大学WEHNER等开发的完全自主微型仿生章鱼机器人Octobot如图6b所示，采用立体光固化和嵌入式3D打印相结合，章鱼软体机器人本体集成控制器-传感器-驱动器于一体，随着气体压强的变化驱动可进行爬行、游泳等一系列自主运动动作。未来，3D打印技术可通过结合硬、软、弹性和导电材料，有效制造整个机器人，包括传感器、致动器和控制系统。它有望成为软光刻技术的补充甚至替代方法。

近年来，研究人员发现，当暴露于某些预定的刺激(如热、水、光、pH等)时，一些3D打印结构的形状、特性和功能可能会随着时间的推移而变化。根据这些观察结果，他们开发了基于3D打印的4D打印技术，并以智能聚合物为基础，成功地融入了额外的时间维度。4D打印本质上是3D打印的一个子集，并拥有其所有优势。具有运动能力的3D物体的制造被称为4D打印，最早出现在2013年。随着这一新概念的发展，4D打印的应用范围已得到很大的拓展。然而，4D打印仍处于起步阶段，研究人员正在对4D打印技术进一步的开发和完善。

SCM法是指采用激光微加工技术，切割聚合物薄膜形成所需形状，层压形成多层结构，它是一种柔性聚合物薄膜和复合材料集成的连接方法。哈佛大学制作的微型飞行机器人就是将压电驱动器、线路和传感器采用SCM方法集成，制成的微飞虫 机器人质量在克级甚至毫克级，体积可控制在毫米级。

Pop-up MEMS制造技术是一种扁平制造技术，2011年由哈佛大学Wyss研究所的团队开发，用于微型机器人的扁平制造。哈佛大学过去开发的机器人Delta手臂常用在组装生产线，其速度和灵巧度决定了工作空间需要足够大，基于Pop-up MEMS制造技术的MilliDelta机器人，图6c所示机器人正是Delta手臂的世界最小版本。MilliDelta尺寸为15 mm×15 mm×20 mm，质量为430 mg，依靠压电驱动可举起1.3 g的质量，它可以在7 mm的空间内以5 mm的精度运动，最高速度为0.45 m/s，每秒最多可执行75次动作。这款新型机器人的操作级别为毫米级，可以在精细拾取、包装、制造甚至外科手术方面提供帮助。

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微型仿生机器人驱动技术

微型仿生机器人的尺寸是限制其驱动技术发展的主要因素之一，传统机器人的驱动技术很难在满足其性能要求的情况下兼顾尺寸方面的限制。研发在微小尺寸上适用的微型仿生机器人驱动技术是微型机器人开发的重点和难点。目前国内外使用较多的微型机器人驱动技术主要有压电驱动、微型电机驱动、形状记忆合金(SMA)驱动、智能材料驱动等。

3.1 压电驱动

压电驱动是目前应用较为广泛的微型机器人驱动方式。压电驱动器可开环控制也可闭环控制，通过调节电压即可实现压电驱动器的开环控制，若想对压电驱动器实现闭环控制，需结合运动捕获系统、蜂鸣式运动检测器、压电材料自感应等方式共同 完成。

包括RoboBee飞行机器人、HAMR系列四足机器人、MilliDelta振动机器人等都是采用压电驱动的微型机器人，同时使用了哈佛大学自研的一种压电材料自感应反馈控制压电驱动器的方法。这种方法在一定的电压和振幅范围内可实现对速度10%的优秀控制精度。近期，清华大学团队通过将一种带有倾斜微三棱柱结构的仿生足垫与柔性压电驱动薄膜匹配，发展了一种多功能且自适应的攀爬软体机器人系统，并为其命名为压电攀爬者。压电攀爬者系统具有快速(超过1.4身位每秒)、粗糙度适应能力广(可在纳米级光滑表面或者毫米级突起表面垂直攀爬)以及自主跨越攀爬等能力，还可以在无外界控制策略的条件下进行0°-60°-0°的自适应攀爬以及复杂地形中的自主导航逃脱。

3.2 微型电机驱动

尺寸稍大的微型仿生机器人可采用微型电机驱动。微型电机限制了尺寸方面无法做到很小，但是驱动效果较好。美国DARPA很早就开展了微型仿生机器人相关研发项目，微型仿生蚊子机器人就是其研究内容之一，其最终目标是应用于战场环境的侦查。中国科学院沈阳自动化研究所的六足微型爬行机器人也是采用微型电机驱动，最高速度 17.5 cm/s，驱动效果良好。

加州大学伯克利分校在2009年报道了一款六足微型机器人DASH，如图7所示。DASH质量仅16 g，是一种小型、轻便、电源自主的能够以每秒高达15个身体长度的速度运行的机器人。从生物力学中汲取灵感，DASH 具有伸展的姿势，并使用交替的三脚架步态来实现动态的开环水平运动。提出了仅使用单个驱动电机并允许高功率密度的运动学设计，该设计是使用规模化的智能复合材料制造(SCM)流程实现的。除了速度快之外，DASH还非常适合从高处坠落，因为其结构具有独特的顺应性。

RoACH是一款微型仿生蟑螂机器人，也是由加州大学伯克利分校研发的，质量仅2.4 g，包括控制电子设备和电池，采用微型电机驱动，并利用自身携带的锂聚合物电池供电，RoACH的速度约每秒1个体长(3 cm/s)。南京航空航天大学的研究人员受壁虎启发，利用微型电机驱动，用“毒液”充当机器人的“壁虎的脚”，开发了一款微型仿生壁虎机器人Slalom。它配备了特殊的足部装置来粘附和适应各种表面，以实现高效运动。

3.3 形状记忆合金(SMA)驱动

形状记忆合金(SMA)具有独特的形状记忆效应、超弹性、高阻尼、自感知和生物相容等特性。基于SMA材料的优良特性，SMA驱动器具有高功重比、高应变应力、高驱动频率和高设计自由度等优势。

CLARK等研制出了一种SMA驱动的微型仿生机器鱼。这种仿生机器鱼的主体框架部分由液体的橡胶模具铸造而成，内部包含了可实现转向功能的电磁线圈、电源及控制模块。其整体身长为10 cm，最大平均游速为每秒0.019个体长，功耗为20 mW。南加州大学基于SMA设计了一款仿甲虫微型机器人RoBeetle，靠内部携带的甲醇驱动SMA，质量88 mg，可续航2 h。

南京航空航天大学机电学院运动仿生与智能机器人实验室近期开发了一种基于SMA弹簧驱动柔性脊柱的仿壁虎机器人，如图8所示，其在整体结构和几何比例上均与大壁虎的身体特征非常相 似。该机器人共设有15个自由度(每条腿3个，脊柱3个)，是完全按照壁虎身体构造比例仿生设计的，可实现壁虎的运动姿态。毛婷等开发了一款基于SMA驱动的连续跳跃柔性机器人，整体尺寸6 cm× 4 cm×2.5 cm，质量为3.8 g。实验在1 A的驱动电流下，其最大跳跃高度和远度分别为8.5 cm 和18 cm，在不同的工作表面均可实现连续跳跃功能。该机器人具有体积小、质量轻、结构简单的特点，同时可以稳定着陆，连续运动，适用于狭窄的非结构化环境下的行走。

3.4 智能材料驱动

智能材料一般是具有特殊理化性质的高分子材料，在外部的一些物理、化学刺激下会发生形状的变化，例如热、电、光、化学感应等外部刺激。智能材料分为热致感应型智能材料、电致感应型智能材料、光致感应型智能材料、磁致感应型智能材料和化学感应型智能材料等。目前常见的智能材料主要有介电弹性体(DE、各类水凝胶、离子聚合物-金属复合材料(IPMC)、液晶弹性体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等，以及基于这些材料的复合材料。

LI等受蝠鲼外形的启发，以DE和水凝胶为电极材料制成的软电活性结构驱动电子鱼能够以6.4 cm/s的速度在水中移动(每秒0.69体长)。该电子鱼以水凝胶电极和周围的水作为正负极连接桥驱动。它借助水凝胶材料的高透明度的特点在水中呈现近乎透明的状态，可以隐形航行。改变施加电压的振幅和频率可以改变电子鱼的游动速度。这款电子鱼利用尾部的电磁尾巴还可以进行最小半径为8.5 cm 的转向，体现出高度灵活性。CHENG等的Jellyfish仿水母微型软体机器人(图4b)是由有机硅弹性体制成的，也属于智能材料驱动。

CAO等受到尺蠖的启发研制的微型蠕虫由一个DE驱动器驱动，自身可变形。轻质电池和小体积放大器的使用有助于开发这种不受束缚的软机器人。这款不受束缚的软机器人可以通过其可变形身体的交替膨胀/收缩和两个纸基脚的粘附/分离来实现运动。强电粘附确保了稳定的运动，机器人身体的大电压引起的变形和快速响应导致速度为每秒0.02个身长。然而高压始终是限制其发展的重要因素，所以开发可以低电压驱动的DE驱动器是核心关键问题。南加州大学开发出低电压驱动的DE微型机器人，如图9a所示，其身长4 cm，质量190 mg，可承载950 mg的有效载荷(其体重的5倍)。最重要的是其工作电压低于450 V，空载状态下可以30 mm/s的速度移动，并且由于其合规性而非常坚固。

中国科学院沈阳自动化研究所通过将PDMS、石墨烯、磁性颗粒相结合成功研制出了具有光响应性、磁响应性以及超疏水特性的新型复合材料，并利用这种新型复合材料制备出了仿水黾微型机器人，如图9b所示。在红外激光刺激控制下，这款机器人可在水面完成快速游动、跳跃及翻滚动作。该研究实现了新材料制备与多场驱动技术的融合，为微型仿生昆虫机器人的研究提供了新的思路。

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生机电混合微型机器人(BEHMRs)

生机电混合型微型机器人(BEHMRs)是一类特殊的微型机器人，既不是单纯的生物，也不是单纯的机器人，而是生物和机电系统的结合体。自然界的生物有着很多令人惊叹的天赋，这也是仿生机器人兴起的重要原因。研究人员想到，其实还有一种更高效的方式，那就是直接以生物为基础打造机器人。BEHRs的概念最早由美国国防部国防先期研究计划局(DARPA)提出的，其所资助的“昆虫微机电混合系统”(Hybrid insect MEMS, HI-MEMS)项目旨在昆虫中植入MEMS芯片，该芯片与昆虫组织形成稳定的接口，从而通过外部信号来控制昆虫的行为。DARPA希望通过这种技术，创造出在军事上具有应用价值的高隐蔽、廉价的半机械间谍。

4.1 BEHMRs机电系统的混合方式

对于BEHMRs来说，机电系统的混合方式主要分为两种：植入式和外负式。

早在2009年，加州大学伯克利分校就进行了植入式生物机电混合微型机器人的相关实验。它们在甲虫身上植入一个小型可植入式神经刺激模块来控制甲虫的飞行活动，整套装置包括神经刺激模块、肌肉刺激模块、一个无线收发装置和一块微型电池。他们可以控制甲虫起飞、落地、在空中盘旋，科研人员还希望对这些可远程遥控的甲虫进行局部“改造”，打造成未来战士版的机器甲虫，试图在这些甲虫身上安装照相设备、GPS设备或微型武器。2012年，美国麻省理工学院成功把一根“神经探针”植入一个飞蛾体内从而用电子信号控制飞蛾。全部装备只有半克重，可植入飞蛾腹部。

新加坡南洋理工大学团队在2015年开始“半机械式昆虫”的研究，他们采用外负式方法，给活体甲壳虫背上“电子背包”，通过刺激甲壳虫的触须或肌肉控制它们行走或飞行，并且不会影响昆虫的寿命。最近，该团队在“半机械式昆虫”相关研究领域取得了新的突破，如图10所示。他们以一种大型的花甲虫(乌干达角金龟)作为研究对象，将“电子背包”做成负载装载到甲虫背上。“电子背包”由小型的微控制器、传感器、接收和发送器组成，通过微型接头电极连接到甲虫特定的身体部位，整个设备由微型锂电池供电。这个背包质量1.6 g左右，几乎不会影响甲虫的飞行速度。实验中产生的数据将支撑研究人员进一步完善对机器昆虫的自主飞行控制。如果在机器甲虫上进行麦克风、摄像头等功能载荷的部署，它们就能在搜索和救援任务中发挥巨大的作用，可以安全地探索以前无法进入的区域，例如倒塌建筑物中的小角落和裂缝。

4.2 BEHMRs的供电方式

比起单纯的仿生机器人，BEHMRs利用动物的身体，运动起来更加灵活，而且可以在更复杂的环境里活动。但是与动物身体混合的机电设备是要靠电能工作的，所以怎样给它们提供持久的电能供应是一个问题。最近北理工的研究团队梳理了这几种常见的BEHMRs的供电方式。

目前，BEHMRs的供电方式主要有以下几类：化学电池(比如纽扣电池、锂电池)、太阳能电池、生物燃料电池(利用生物体自身的化学能)、生物热能采集设备(捕捉、利用生物的体热)和生物振动能量采集设备(利用动物的运动进行自充电)。化学电池是目前最常见能源选择，具有相对稳定的能源输出。但是化学电池需要频繁更换或充电，这严重限制了BEHMRs的寿命，甚至可能对生物载体的活力造成损害。此外，具有高能量密度的电池通常质量和体积也较大，占整个背包重量和体积的近80%，这在很大程度上影响了低负载能力生物体的运动。所以，研究人员正探索其他几种供能方式的突破，以取代化学电池实现BEHMRs携带的电子部件的自供电。

几种供能方式有着不同的特点，如表2所示，适用于不同类型的BEHMRs。BEHMRs的能量供应系统是其未来发展和实际应用的重要组成部分。目前，化学电池仍是生物机电混合微型机器人的主流选择。为了克服由于需要更换电池或重新充电而对BEHMRs寿命的影响，研究人员已经在四个领域对自供电设备进行了研究：太阳能、生物能、生物热能和生物振动能(表1)。目前的自供能装置仍存在很多问题，比如转换效率低、输出功率低、能量供应不稳定、生物载体相容性差等。因此，具有高能量密度、良好生物相容性、高稳定性的自供能装置的开发，将是未来研究的重要挑战。新材料的开发、微结构的新设计以及复合能源供应装置的开发将是解决这些局限性的重要途径。

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微型仿生机器人能源-驱动-感知-控制全柔性一体化发展构想

微型仿生机器人优越的身体柔顺性和小体积使其能够进入人类无法进入的各种空间，具备着得天独厚的发展优势。随着机器人尺寸的减小，考虑到加工方法、电子器件和储能设备的尺寸问题，导致了在微观和宏观层面上的制造材料、驱动方法、运动模式、储能、传感和控制以及建模方面的差异。

受尺寸限制，目前的微型仿生机器人很难实现内置独立且高效的能源系统、驱动系统、感知系统和控制系统。能源和驱动器件是决定机器人运动方式和运动性能的关键部件，当前的小型化能源与动力装置无法集成适用，绝大多数微纳机器人只能以系绳连接能源的方式活动，极大地影响了微型仿生机器人的性能。能源部件可决定机器人续航时间及环境自适应供电，驱动部件可决定机器人运动能力，传感部件直接影响机器人的功能性，控制部件关乎机器人的有效运行。基于上述问题，微型仿生机器人的能源-驱动-感知-控制一体化发展显得十分重要。

目前一些高校和研究单位已经开始探索全柔性一体化发展的路线了，他们大多从柔性驱动和传感集成新途径开始引入。目前柔性机器人常用的四种驱动策略有压力驱动、电驱动、外部刺激驱动、被动变形驱动，还可进行多模式结合的复合驱动策略。而常用的柔性传感策略主要包括本体感知和触觉感知两大类，亦可执行多模态感知融合策略。为了将柔性驱动与传感技术相结合，可采取以下主要的集成方式：传感器表面集成(如电子皮肤、柔性传感阵列)、传感器内部集成(如传感元件内嵌)。

微型仿生机器人的能源-驱动-感知-控制全柔性一体化发展需要将能源部件、驱动部件、传感部件和控制器件利用一体化构建方法集成到一个全柔性器件系统中。该方案需要突破全柔性一体化融合设计、高功率密度柔性电池研制、全柔性一体化制造等关键技术。基于这些关键技术开发出的微型仿生机器人，具备全柔性特点，具有较高的环境自适应性，可适应多种运行环境；具备自供能特点，可实现机器人长距离、长续航时间执行作战任务；柔性材料使其可抵抗一定程度的外界冲击和振荡，具有较高的可靠性。

虽然全柔性一体化发展具有诸多极具优势的特点，但是也具备极大的技术难度和挑战。要想顺利开展全柔性一体化工作，需全面评估工作环境和运动要求，确保性能兼容；需探索多样化表面与内部集成方法；需鼓励创新设计范式，利用新材料和制造技术提升集成效率。一旦能源-驱动-感知-控制全柔性一体化技术得以实现，将在多领域发挥重要作用，特别是航空航天、医疗等领域，新材料和集成策略的结合将推动智能软体机器人技术的突破性创新。

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微型仿生机器人应用构想

6.1 微型仿生机器人作战应用构想

随着机器人技术的发展和现代无人侦察等作战模式的重大变革，微型仿生作战机器人已成为世界各国国防科技发展的重点对象之一，被期待应用于军事作战任务和反恐防暴作战任务中。微型仿生机器人尺寸在厘米级或以下，具有体积小、质量轻、方便易携等优势，在狭小复杂空间及特殊恶劣环境下执行监听监控、目标搜索、勘探定位、火力打击等任务。哈佛大学、西北工业大学等研究机构在近些年开发了微爬行机器人、扑翼机器人等各类微型仿生机器人，极大程度上推动了微型仿生作战机器人的发展。当前人工智能技术飞速发展，应用到微型仿生机器人上使其具备高度的机动性和战斗能力，将为军事和反恐防暴领域带来深刻变革。基于微型仿生机器人的优势特点，结合实际情况和作战需求，提出以下几种基于微型仿生机器人的作战应用构想，如图11所示。

(1) 隐蔽侦查。

微型仿生机器人的尺寸较小，且大多外形仿照生物，能够在不易被察觉的情况下悄悄接近目标，也可以通过空投、导弹投放或者无人机携带等方式投放到军事敌人或者恐怖分子阵地。一旦进入敌方阵地，它们可以利用隐蔽性和机动性，躲避敌方的侦查。配合搭载的录音、拍照和录像等功能性载荷可以快速获取环境、敌情等重要信息，搭载通信模块还可以实时回传数据供己方参考以及时有效制定应对策略。

(2) 定点爆破。

微型仿生机器人可携带一定量的爆炸装置，借助自身良好的隐蔽特性能够潜入敌方核心关键点实施定点爆破以阻碍敌方的军事部署和作战行动，比如破坏敌方指挥部设备、武器库、车辆操作室、通信设备等关键区域和装备。

(3) 精确火力打击。

微型仿生机器人本身具备一定的负载能力，可搭载轻型火力装备，在潜入敌方前线阵营、关键地点或者恐怖分子躲藏点后己方可参照实时画面下达任务指令，对敌方目标进行精确火力打击。

(4) 分布式、集群式作战。

微型仿生机器人单体目标小，可以根据任务需要进行分布式作战或者集群式作战，可同时对敌方不同规模的多个任务目标进行侦查、火力打击或者定点爆破，从而造成有效破坏和杀伤，降低敌方的反制能力。

(5) 自主决策作战。

微型仿生机器人可配备高级人工智能技术，利用隐蔽特性潜入前线或敌方阵地，依托人工智能技术能够自主分析战场情况，及时做出智能决策，随时调整战术，在第一线破坏敌方战略和作战行动或者直接造成有效杀伤。

6.2 微型仿生机器人民用构想

机器人技术发展日新月异，早已出现在日常生活中的各个角落。家用的扫地机器人、餐厅用的炒菜机器人、博物馆和商场等区域常见的引导服务机器人，它们都说明着机器人已经成为了构成人们日常生活的重要组成部分。目前民用领域的机器人多为传统意义上的常规尺寸机器人，并未涉及微型机器人领域。微型仿生机器人的尺寸特点配以快速发展的人工智能技术，将给人们的生活生产带来里程碑式的重大变革。基于微型仿生机器人的优势特点，结合日常生活生产实际需求，提出以下几种基于微型仿生机器人的民用构想。

(1) 农业生产。

自然界很多微小型生物的生物特征和习性对农业生产是有辅助作用的。微型仿生机器人的外形和实际功能均与仿生对象高度相近，比如以蜜蜂等飞行昆虫为仿生对象的微型仿生机器人可以完成授粉作业，在未来基于这些“农业益虫”设计的微型仿生机器人定能促进农业生产的 发展。

(2) 生物信息采集及医疗。

悠久的进化造就了自然界各种神奇的生物体，很多生物至今仍有未被探寻的诸多奥秘。微型生物机器人凭借其体型优势能够到达很多人类或者常规机器无法触及的区域，便于其完成特殊的信息采集工作，经过缜密设计和人工智能强化的微型仿生机器人已经在生物医疗领域发挥了一定的作用，相信在未来它们能够发挥更好的作用。

(3) 抢险救援。

自然灾害总是无法准确预测的，意外事故也是无法完全避免的，每当这些不幸发生总会对环境、建筑、生命财产造成巨大的破坏和损失。在灾后搜救、事故救援和后续重建工作中，微型仿生机器人的优势特点能够发挥出事半功倍的效果，可以引导人员迅速完成探查救援任务。

(4) 气候和环境监测。

天文和地理是大自然的鬼斧神工，为了探查一片区域内的环境条件，需要进行长期多次的监测任务。在面对一些复杂或者狭小区域时，微型仿生机器人能够依靠自身的负载能力携带微型检测设备对其进行气候和环境的检测任务，从而为研究人员提供该区域的气候环境信息。

(5) 设备器件维护维修。

我国制造业正处于从中国制造向中国智造迈进的关键转型期，不论是我们的大国重器还是民用机械，都离不开日常的保养维护和维修工作。微型仿生机器人凭借尺寸优势，结合静电吸附等特殊设计，可以进入光滑筒壁、空腔等人工无法触及的区域完成设备器件的维护维修工作。

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结论

目前微型仿生机器人技术势头正盛，在军用领域和工业生产、医疗服务、勘探监测等民用领域都具有很好的发展和应用潜力，但是受微型尺寸下能源、驱动等技术水平的限制，在运动能力、负载能力、控制精度、响应速度等方面还有很大的提升空间。本文提出了能源-驱动-感知-控制全柔性一体化发展思路，但是目前尚处于思考和理论可行性研究阶段，距离实际研发应用仍存在较大的距离。基于上述问题，提出以下几点目前可行的研究思路供 思考。

(1) 采用混合驱动系统。微型仿生机器人根据运行环境需要可内置多种驱动器，根据任务环境需求和能耗指标自主选择最合适的驱动系统，以保持其在多种环境下始终具备优良的运动能力，同时能够保证良好的续航能力。

(2) 优化系统结构设计。通过优化空间分配、功能系统布局等方式优化微型仿生机器人的系统结构设计方案，比如实现刚柔耦合机器人，提高机器人的负载能力和环境适应性，克服低负载和强度低的问题。

(3) 开发新型智能材料。开发可智能变刚度材料、活性软材料等新型材料，具有不同力学性能，使微型仿生机器人在不同环境下具有突破性的性能，如耐压、耐寒和非线性运动。

(4) 研究智能控制算法。根据仿生模本研究仿生智能控制算法，用有限维模型描述无限维分布式参数模型，建立基于优化方法的等效控制模型，实现精确的实时控制，包括形态和位置的控制。

(5) 开发多栖微型仿生机器人。目前微型仿生机器人大多仅适用于单一介质环境，优化仿生对象开发多栖微型仿生机器人可提高适应性和适用性，可胜任更多的任务场景。

(6) 一体化设计与制造。基于微型仿生机器人能源-驱动-感知-控制全柔性一体化发展思想，利用嵌入式柔性传感器、柔性电子技术和3D打印等技术，实现微型仿生机器人的能源-驱动-感知-控制一体化设计与制造，提高微型仿生机器人的智能控制和感知能力，但仍面临挑战。

(7) 多层次共同设计。比如微型软体机器人可以采取从“材料、结构、驱动、功能和智能化”等五个层次共同设计的研究策略，通过发展先进的制造和集成技术，可充分发掘和发挥微型软体机器人友好交互、可变刚度、可重构、自愈合、自控制等诸多优良特性，推动微型软机器人往多功能化、智能化方向发展，从而赋能他们在生物医疗、环境勘探、仿生学、集群和智能制造等领域的应用。

(8) 开展仿生协同研究。结合机器人本体多功能协同、机器人与环境协同(机-环共融)和集群协同(机-机共融)三种协同策略。这些协同的设计和控制策略有助于实现微型仿生机器人向共融机器人方向发展。

微型仿生机器人技术领域涉及仿生、电子、机械、材料、控制等多学科的技术交叉，未来在这些学科各自发展和融合发展的过程中，微型仿生机器人也会随之产生技术升华。在不久的未来，与真实的微小生物外形无异、运动能力相比肩甚至更胜一筹的微型仿生机器人很有可能会成为现实，随之带来新一代机器人技术的革命浪潮。

作　　者：罗自荣

责任编辑：赵子祎

责任校对：向映姣

审　　核：张　强

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