第五章第十一节微型机器人和微操作系统
小工业管道机器人移动探测系统
微型机器人和微操作系统是在细微空间或狭窄空间中进行精密操作、检测或作业的机器
人系统。其中微机器人一般在三维或两维尺寸上是微小的。而微操作系统在尺寸上一般不在
微小范围之内，但可以实现微米、亚微米的定位和操作。
微型机器人在核电站细小管道、发动机等狭窄空间检测、军用侦察、医疗等领域有广泛
的用途，微操作系统在生命科学、精密组装和封装等方面有广泛前景。
火力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各样微小管道，其安全使用需要定
期检修。但由于窄小空间的限制，自动维修存在一定难度。仅以核电站为例，其中内径约20
mm的管道有许多根，停堆检查时工人劳动条件恶劣。因此微小管道内机器人化自动检查技术
的研究与应用十分必要。
“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”由上海大学研制，包含：20mm内径的垂直
排列工业管道中的机器人机构和控制技术（包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片
驱动移动机构等）、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术，在此基础上
构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。
无损伤医用微型机器人
无损伤医用微型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
床上广泛使用的各类内窥镜、内注射器、内送药装置等医疗器械给患者带来的严重不适及痛
苦。
由浙江大学研制的无损伤医用微型机器人具有三大特点：一是此种微型机器人能以悬浮
方式进入人体内腔（如肠道、食道等），这样可避免对人体内腔有机组织造成损伤，从而可
大大减轻或消除患者的不适与痛苦；二是此种微型机器人的运行速度快，而且速度控制方便
，这样可缩短手术时间；三是此种微型机器人的结构简单，加工制造方便。目前，此种微型
机器人样机已接近实用化程度。
SMA微小型机器人
上海交通大学研制出一种呈正方形体，由12个蠕动元件组成的管内蠕动机器人，外形尺寸为
35×35×35mm3，体重19.5克（包括控制电路），步行速度为15 mm/分，共有12个自由度
，由SMA（形状记忆合金）与偏置弹簧组成一个驱动源，共12个驱动源。能实现管内上、下
，左、右，前、后的全方位运动，能通过直管、曲率半径较大的弯管，以及L型、T型管。还
有一种SMA六足微小型机器人，外观如同一只小甲虫，外形尺寸为25×30×30mm3，重20克
，步行速度18 mm/分，有12个自由度，SMA（形状记忆合金）作为驱动源。微小型机器人将
来可能在细小管道检测及医疗方面发挥作用。
微型飞行器
微型飞行器被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接受的成本执行某一有价值
的任务。这种飞行器必须能够传输实时图像或执行其他功能，有足够小的尺寸（小于20厘米
）、足够的巡航范围（如不小于5公里）和飞行时间（不小于15分钟）。
微型飞行器由于具有特殊的用途而备受关注。一个重要应用是军事侦察，可装备到士兵班，
进行敌情侦察及监视。还可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物
武器，侦察建筑物内部情况，可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带、操作
简单、安全性好的优点，可以在部队中大量装备。在非军事领域，配置有相应传感器的
微型飞行器可以用来搜寻灾难幸存者、有毒气体或化学物质源，消灭农作物害虫等。
微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是MEMS（微机电系统）集成技术的产物。微型
飞行器的姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微型
加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用
的微型摄像机、微型通讯系统等，都需要MEMS技术的支持，以减少体积和重量，改善飞行器
的性能。微型飞行器的动力——微型发动机也需利用MEMS技术制造，所以说，微型飞行器除
机身和机翼外，都需依靠MEMS技术，甚至机翼也可以用MEMS技术制造灵巧蒙皮，以控制飞行
器的飞行姿态。
面向生物工程的机器人微操作系统
在生物和医学工程中常用的微操作过程主要有两大类——微注射操作和微切割操作，这两种
操作在现代生物和医学研究中均起到了非常重要的作用。
目前制作转基因动物的最有效、操作最简便的方法是采用微注射技术，即用微操作系统
（手动系统）对动物的活性受精卵注入外源基因，其目的主要是培育新型品种。这种显微操
作过程是生物领域中研究、培育转基因动物的一个重要环节，也是操作精度要求最高的环节
。在这种微观环境下，用亚毫米的工具对这些细胞进行操作，只能在显微镜下进行。目前这
些工作都是由人工来完成的。
生物和遗传工程中的另一大类微操作过程是微切割操作。完成切割操作的系统与完成微
注射操作的系统的基本结构和驱动原理相同，微切割系统只需要微切割刀。微切割刀的尖端
部分也应是亚微米级。微操作系统的位移和定位精度均比微注射系统还高，微切割操作对生
物医学研究，特别是在植物学研究，遗传工程研究，建立动、植物（包括人类）的DNA文库
等高科技领域中都有十分重要的应用。同微注射操作相同，目前微切割操作也是由人工完成
的，而且由于微切割操作比微注射操作要求的精度高，操作起来更加困难。因此，生物领域
中从事细胞操作的科研人员和实验操作人员都希望能够提高微注射操作和微切割操作系统的
自动化和智能化的程度，使操作简单化、自动化，进而实现普及化。
南开大学、中国科技大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、广东工业大学相继开
展了这方面的研究工作。
南开大学研制的“面向生物医学工程的微操作机器人系统”以一台倒置显微镜为主体，
配置了左右两个可握持工具进行空间三自由度运动的机械臂、平面两自由度可控平台以及自
动调焦系统。系统可在显微视觉引导下，由计算机控制，双臂协调地机械自动或半自动的操
作。它的功能覆盖了生物医学工程的主要操作（如染色体切割，细胞转基因注射等）。该系
统可在一个微小的操作空间内，控制操作工具进行微米级精度的运动。它适合于在细胞级水
平上进行切割、注射、微电位测量等典型的生物医学工程操作。
由中国科技大学研制的“全光学生物微操作系统”进行植物转基因获得成功。该实验用脱毒
马铃薯和毛白杨雄株试管苗进行，用“全光学生物微操作系统”中高功率脉冲激光对浸泡在
DNA溶液中的子叶局部进行逐个细胞的穿孔。经生化检测，激光空孔部位显示出湛蓝颜色，
表明待转的GUS基因已经进入叶肉细胞。由此证明对上述两种植物的转基因获得成功。
光学微操控微加工不同于传统的机械加工系统，它对生物细胞、细胞器及其他微小粒子
的微加工是通过光来实现的，没有任何机械接触。激光光镊可以方便地在三维空间拖动微粒
使之在空间上准确定位，因此可用来完成分选粒子（或细胞），使两个或多个粒子相互密接
，从而观察其相互作用等。激光光刀则对被光镊夹持的“工件”进行穿孔、基因转导、细胞
器切割、焊接等加工。
光学微处理的另一特点是可以在不损伤粒子（细胞）表面的情况下深入其内部进行微操
作或微加工，特别适合于研究活体生物粒子，是细胞和生物大分子研究的重要工具，将在细
胞生物学、分子遗传学、基因工程等领域中发挥重要作用。
光学微操作系统在涉及微小粒子的各种研究和应用领域，诸如在大气物理、空间科学、
材料科学、医药科学、精密测量等方面也有广阔应用前景。
由北京航空航天大学研制的具有视觉反馈的微操作系统，能在摄像头下完成全局视觉闭
环反馈，且采用压电陶瓷驱动和较新颖的柔性铰链机构，可对活体细胞和基因进行自动或半
自动显微操作。该系统已进行了数次小白鼠受精卵基因注射实验，并获得成功。
