移动微型机器人

微米和纳米尺度科学与技术的进步催生了对新型微系统的需求，这些系统在医疗保健、生物技术、制造和移动传感器网络等应用中具有重要作用。这也催生了微型机器人这一新兴领域，将机器人的交互和探索扩展到亚毫米尺度。本书是第一本介绍微米级移动机器人的专业书籍，涵盖微型机器人设计、分析、制造和控制的基础知识，并给出了相关案例研究。

微米和纳米尺度科学与技术的进步催生了对新型微系统的需求，这些系统在医疗保健、生物技术、制造和移动传感器网络等应用中具有重要作用。这也催生了微型机器人这一新兴领域，将机器人的交互和探索扩展到亚毫米尺度。本书是第一本介绍微米级移动机器人的专业书籍，涵盖微型机器人设计、分析、制造和控制的基础知识，并给出了相关案例研究。

本书特色：

·介绍了用于确定微米尺度上主要作用力和效应的缩放定律，对作用于微型机器人的力进行了建模，并描述了微型机器人制造的相关技术。

·介绍了机载和遥感方法，研究了可能的机载微驱动器，讨论了利用自生成局部梯度和场或液体环境中生物细胞的自驱动方法，并描述了用于人体内部等有限空间的远程微型机器人驱动方法。

·涵盖了未来医疗和其他应用中不可或缺的机载供电方法，机器人在地面、液体和空气中以及流体-空气界面的运动方法，还有微型机器人定位和控制的挑战，特别是磁性微型机器人的多机器人控制方法。

·讨论了微型机器人当前和未来的应用，包括无创医疗诊断和治疗、环境修复和科学工具。

译者序

致谢

第1章 绪论1

1.1 不同尺度移动微型机器人的定义1

1.2 微型机器人的发展历程5

1.3 本书概览7

第2章 微型机器人的缩放定律10

2.1 动态相似性和无量纲数11

2.2 表面积和体积的缩放及其意义14

2.3 机械、电气、磁和流体系统的缩放14

2.4 小尺度运动系统的放大实例研究17

2.5 习题18

第3章 作用在微型机器人上的力20

3.1 相关定义21

3.2 空气和真空中的表面力23

3.2.1 范德华力24

3.2.2 毛细力（表面张力）26

3.2.3 静电力29

3.2.4 通常的微米尺度力的比较30

3.2.5 特殊相互作用力31

3.2.6 其他几何形状接触产生的力31

3.3 液体中的表面力32

3.3.1 液体中的范德华力32

3.3.2 双层力33

3.3.3 水合（斯特里克）力34

3.3.4 疏水力34

3.3.5 总结34

3.4 附着力35

3.5 弹性接触的微纳力学模型36

3.5.1 其他接触几何形状40

3.5.2 黏弹性效应41

3.6 摩擦和磨损41

3.6.1 滑动摩擦42

3.6.2 滚动摩擦43

3.6.3 旋转摩擦44

3.6.4 磨损44

3.7 微流体44

3.7.1 黏性阻力45

3.7.2 拖曳扭矩46

3.7.3 壁效应47

3.8 微米尺度力参数的测量技术47

3.9 热性能49

3.10 确定性与随机性50

3.11 习题50

第4章 微型机器人制造53

4.1 双光子立体光刻55

4.2 晶圆级工艺57

4.3 图案转印57

4.4 表面功能化59

4.5 精密微装配60

4.6 自装配61

4.7 生物相容性和生物可降解性61

4.8 中性浮力62

4.9 习题63

第5章 微型机器人传感器64

5.1 微型摄像机65

5.2 微米尺度传感原理66

5.2.1 电容传感66

5.2.2 压阻传感67

5.2.3 光学传感69

5.2.4 磁弹性遥感70

第6章 微型机器人的机载驱动73

6.1 压电驱动73

6.1.1 单晶压电驱动器77

6.1.2 案例研究：基于扑翼的小尺度飞行机器人驱动78

6.1.3 双晶压电驱动器81

6.1.4 压电薄膜驱动器82

6.1.5 聚合物压电驱动器82

6.1.6 压电纤维复合驱动器82

6.1.7 采用压电驱动器的冲击驱动机构83

6.1.8 超声波压电电动机83

6.1.9 压电材料传感器84

6.2 形状记忆材料驱动84

6.3 聚合物驱动器85

6.3.1 导电聚合物驱动器86

6.3.2 离子聚合物-金属复合材料驱动器87

6.3.3 介电弹性体驱动器87

6.4 微机电系统微型驱动器88

6.5 磁流变和电流变液驱动器89

6.6 其他90

6.7 总结90

6.8 习题90

第7章 自推进式微型机器人的驱动方法92

7.1 基于自生成梯度或场的微驱动92

7.1.1 自电泳推进92

7.1.2 自扩散泳推进94

7.1.3 基于自生成微气泡的推进95

7.1.4 自声泳推进96

7.1.5 自热泳推进96

7.1.6 基于自生成马兰戈尼流的推进97

7.1.7 其他98

7.2 基于生物混合细胞的微驱动98

7.2.1 作为驱动器的生物细胞100

7.2.2 细胞与人工成分的结合101

7.2.3 控制方法102

7.2.4 案例研究：细菌驱动的微型游动机器人103

7.3 习题109

第8章 远程微型机器人驱动110

8.1 磁驱动110

8.1.1 磁场安全112

8.1.2 磁场的产生113

8.1.3 特殊的线圈结构114

8.1.4 非均匀场设置115

8.1.5 驱动电子设备116

8.1.6 永磁体产生的场116

8.1.7 磁共振成像系统的磁驱动117

8.1.8 六自由度磁驱动118

8.2 静电驱动119

8.3 光驱动120

8.3.1 光热机械微驱动120

8.3.2 光热毛细微驱动120

8.4 电毛细驱动121

8.5 超声波驱动121

8.6 习题122

第9章 微型机器人的动力123

9.1 运动所需的功率124

9.2 机载储能125

9.2.1 微型电池125

9.2.2 微型燃料电池126

9.2.3 超级电容器127

9.2.4 核（放射性）微功率电源127

9.2.5 弹性应变能127

9.3 无线（远程）供电127

9.3.1 通过射频场和微波进行无线供电128

9.3.2 光学功率束传输128

9.4 能量收集129

9.4.1 利用太阳能电池收集入射光129

9.4.2 机器人运行介质中的燃料或ATP129

9.4.3 以酸性介质为动力的微型电池129

9.4.4 机械振动收集130

9.4.5 温度梯度收集130

9.4.6 其他收集方式130

9.5 习题131

第10章 微型机器人的运动132

10.1 固体表面运动133

10.1.1 基于拉力或推力的表面运动133

10.1.2 受生物启发的双锚爬行134

10.1.3 基于黏滑运动的表面爬行135

10.1.4 滚动136

10.1.5 微型机器人表面运动实例136

10.2 3D流体中的游动运动143

10.2.1 基于拉力的游动144

10.2.2 基于鞭毛或起伏的生物启发的游动144

10.2.3 基于化学推进的游动145

10.2.4 基于电化学和电渗推进的游动146

10.3 水面运动146

10.3.1 静力学：停留在液体空气界面上146

10.3.2 液体空气界面上的动态运动148

10.4 飞行150

10.5 习题151

第11章 微型机器人的定位与控制153

11.1 微型机器人的定位153

11.1.1 光学追踪153

11.1.2 磁追踪153

11.1.3 X射线追踪154

11.1.4 超声追踪155

11.2 控制、视觉、规划和学习155

11.3 多机器人控制156

11.3.1 通过局部捕获定位157

11.3.2 通过异质机器人设计定位158

11.3.3 通过选择性磁禁用进行定位160

11.4 习题163

第12章 微型机器人的应用164

12.1 微小零件操纵164

12.1.1 基于接触式的机械推动操纵164

12.1.2 基于毛细力的接触式操纵165

12.1.3 非接触式流体操纵165

12.1.4 自主操纵169

12.1.5 生物物体操纵170

12.1.6 团队操纵170

12.1.7 微型工厂171

12.2 医疗保健172

12.3 环境修复173

12.4 可重构微型机器人173

12.5 科研工具175

第13章 总结与展望177

13.1 现状总结177

13.2 未来展望178

参考文献180