導讀
微型機器人指的是尺寸以毫米或者微米計量的機器人，它們結構精巧，通常由智能材料驅動，例如具有壓電效應的電活性材料。雖然現在很多微型機器人都展示了不錯的運動能力，但它們還缺少一個關鍵的部件，那就是能夠有效進行物體抓取，和環境交互的「夾爪（gripper/manipulator）」，在一定程度上限制了它們的能力。近日，由哈佛大學，洛桑聯邦理工學院以及科羅拉多大學波德分校聯合在國際機器人通訊期刊《IEEE機器人與自動化通訊》（IEEE Robotics and Automation Letter）發表了一篇文章中提出了一種「壓電材料驅動的微型夾爪」，這款夾爪本身張開的尺寸大約為0.2mm，自身重量0.1g, 但確可以抓取重達3g（30倍）的物體。該「微型夾爪」被安裝到了一款4.5cm見方的微型四足機器人上，並且展示了一些移動機器人的「微操作」，例如搬運一些微小的晶片等，展示了頗佳的實用效果。
小螞蟻可以搬運比自己重的食物
0.1g重量的超微型夾爪抓取3g的重物
微型機器人與僅有2毫米的微型夾爪
「千裡之堤，潰於蟻穴」，常常用來比喻不注意小事則會釀成大禍。但從另一方面看的話，即便是小小的螞蟻也不可小覷。說起機器人，除了高大威猛的工業機器人和靈巧的四足機械狗。有一類特別的機器人也在機器人大舞臺中佔據了一席之地，並且也有著很大的應用前景，那就是微型機器人。
微型機器人概念圖
自然界已經給了科學家一些參考的案例，例如毫米級的各種昆蟲，或者是納米級的鼎鼎大名的病毒噬菌體（長相規整，簡直是一個微型機器人）。研究微型機器人可以幫助人類去處理一些特殊的場景和任務，例如類似昆蟲的微型機器人可以進入狹小的空間，完成檢測的任務，或者是在自然災害中尋找倖存者，類似病毒的納米機器人可以用於生物醫療機器人，投入人體去針對性的殺滅病灶。
哈佛大學微型機器人實驗室明星產品
哈佛大學的微型機器人實驗室（Microrobotics Lab）致力於微型機器人（毫米/微米級別）。該實驗室推出了不少明星產品，例如HAMR，ROBOBEE，發表於國際頂級期刊上。感興趣的同學可以參照文末的論文信息。
上面這些機器人雖然有著相當不錯的能動性（mobility），它們卻缺少一項很關鍵的零部件，那就是夾爪（末端執行器），就好比一直沒有「顎」的小螞蟻。過往的研究主題都集中在如何提高微型機器人的可控性和移動性。如果能夠為微型移動機器人配置一隻「夾爪」，就可以為它們開拓更多的應用場景，例如在狹窄的空間投放和收集材料和零部件，好像螞蟻收集食物一般。
超微型夾爪放大圖
近日，由哈佛大學，洛桑聯邦理工學院以及科羅拉多大學波德分校聯合在國際機器人期刊《IEEE機器人與自動化通訊》（IEEE Robotics and Automation Letter）發表了一篇文章中提出了一種「具有壓電效應的材料驅動的微型夾爪」，為大家呈現了一個兩指之間寬度不到1mm的超微型夾爪（大家可以自行用手比劃一下1mm大概多大），它本身由具有壓電效應（piezoelectric）的材料進行驅動，自身重量為0.1g，可以提起重達3g重量的物體（約為30倍），在這裡小編拿它類比於螞蟻強有力的大顎。
微型機器人夾爪
小科普：壓電效應（英語：Piezoelectricity），是電介質材料中一種機械能與電能互換的現象。壓電效應有兩種，正壓電效應及逆壓電效應。逆壓電效應指的是，通過電場作用而產生機械形變的過程，即當在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長，是一種從電能到機械能的轉化。顯然，在這項研究中，採取的是逆壓電效應。
微型夾爪的抓取運動
我們先來欣賞一下這款超微型夾爪以及安裝有它的機器人的一些展示。注意：文末附有完整版視頻以及論文信息和網址。
微型夾爪的抓取展示
安裝有微型夾爪的機器人抓取展示
大負載行走
搬運放置小型物體
設計，製造以及測試
為了設計一款簡單體積小，又能提供很大夾持力的夾爪，研究者們採用具有壓電效應的材料進行致動器的設計。考慮到微型機器人ROBOBEE和HAMR採用的都是類似的驅動方式，壓電材料致動器也比較容易集成到這些機器人上。研究者設計了一個預先彎曲的懸臂梁結構。懸臂梁有主動層材料（PZT，PiezoelectricTransducer，即壓電材料：鋯鈦酸鉛）和被動層材料（碳纖維複合材料）製成。關於夾爪更詳細的建模和討論可以請讀者參照文末的論文信息。
微型夾爪的機械設計
微型夾爪的另一個設計要點是考慮了微型機器人的能量效率問題。研究者們設計的微型夾爪在未通電時就呈現閉合狀態。通電時，夾爪上下打開，接近要抓取的物體，然後再斷電閉合抓取物體。對於微型機器人來說由於可以攜帶的電源非常有限，因此這種「常閉合」狀態的設計是非常重要的。
微型夾爪的結構設計
研究者們選取的材料總結如下，鋯鈦酸鉛（Lead zirconate titanate）作為壓電材料，即作為主動層驅動，這是一種很常用的壓電材料，廣泛應用於工業設備，汽車，醫療以及消費品行業。碳纖維複合材料被用作和PZT相互結合，同時也作為結構件起到支撐作用。
微型夾爪的製造過程
微型夾爪手的製作過程分為幾步：用雷射切割切出適合形狀的PZT和鋁片，並且把它們放置到一個凝膠底座上。接下來兩層的碳纖維複合材料（CF）和一層的銅被固定到PZT和鋁上。第三步，移除了凝膠底座，用兩層的CF碳纖維複合材料去替代，同時讓它完全融合。第四步，兩層上一步得到的薄片用一層額外的碳纖維複合材料結合併且熱壓縮。最終用雷射切割機切除多餘部分，得到夾爪。
研究者們對微型夾爪做了一些測試，得到了電壓和輸出夾持力（用阻塞裡表示，即blocking force）的關係。可以看到，在電壓升高到200V的時候，輸出的夾持力可達到近乎0.6N左右。
微型夾爪的阻塞力測試
在製做好微型夾爪後，研究者將其安裝到微型四足機器人HAMR底部。並且用它來實現微觀抓取操作的測試。安裝好的微型夾爪距離地面的距離僅有1.5mm，因此，在該樣機測試的初步階段，僅僅抓取了很薄的物體。
微型機器人和微型夾爪的尺寸比例
基本的抓取策略是，讓HAMR機器人運動到被抓取的物體上方，然後打開微型夾爪，機器人向下靠近物體，接著閉合夾爪，機器人抬起身體，進行對物體的搬運。
微型夾爪的抓取分解圖，請注意圖中的1mm的參考長度
這款裝有微型夾爪的HAMR機器人重量為1.41g。從實驗測試得知，HAMR可以抓取0.1g重量的物體並且進行移動。如果是單純的拖拽的話，可以拖動重達2.8g的物體，大約為夾爪重量的28倍，身體重量的兩倍，如果是靜態抓取（請參照本文最一開始的動態圖）的話，則可抓取重量達到3g左右，為夾爪重量的30倍，身體重量的2.12倍。
HAMR搬運重量為0.5g的物體並放置
HAMR拖拽重量為2.8的物體並放置
總結於展望未來
研究者指出目前夾爪被安放在了底部，因此只能搬運位於機器人下方的物體。在未來的研究中，或許會加入視覺傳感器和閉環的運動控制來提升機器人對於物體操作的性能。另外研究者目前的展示的HAMR都是有接到一個固定電源的，受限於電源線，在未來的研究中，想把微型夾爪集成到一個不受限制（untethered）的HAMR上，因此在所攜帶的能源（電池）上可能要進行一些優化設計。最後一點是在將來，這個微型夾爪可能會被進一步優化，做的更小，從而擴展它的抓取尺度。
哈佛大學的微型機器人實驗室一直以來推出了一系列的仿生的，用壓電材料驅動的微型機器人。最近又推出的這篇微型夾爪再次完善了它的功能。小編查證發現它們實驗室很多產品都申請了專利，將來打算產業化或者向工業界推廣。希望我們國家的研究者們也能領軍，做出其他的領先世界的微型機器人技術，為我們的祖國增添一份知識自信！
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