【W(wǎng)RC大咖論道】德國(guó)奧爾登堡大學(xué)教授Sergej Fatikow：《工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下的高精度微型機(jī)器人技術(shù)》

2024世界機(jī)器人大會(huì)以“共育新質(zhì)生產(chǎn)力 共享智能新未來”為主題，為期三天的主論壇和26場(chǎng)專題論壇上，416位國(guó)內(nèi)外頂尖科學(xué)家、國(guó)際組織代表、院士和企業(yè)家聚焦前沿技術(shù)、產(chǎn)業(yè)動(dòng)向和創(chuàng)新成果，深入研討人工智能與機(jī)器人技術(shù)深度融合帶來的新趨勢(shì)、新機(jī)遇，共同打造了一場(chǎng)十分精彩的機(jī)器人領(lǐng)域前沿觀點(diǎn)盛宴！

在8月22日下午的主論壇上，德國(guó)奧爾登堡大學(xué)教授，IEEE RAS 微納機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì)主席Sergej Fatikow以《工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下的高精度微型機(jī)器人技術(shù)》為主題發(fā)表演講。

數(shù)說2024世界機(jī)器人大會(huì)

論壇

26 家國(guó)際支持機(jī)構(gòu)

3 大主題 26 場(chǎng)專題論壇

416 名國(guó)內(nèi)外頂尖科學(xué)家、國(guó)際組織代表、院士和企業(yè)家

74 位國(guó)外嘉賓及港澳臺(tái)嘉賓參會(huì)

線上線下聽眾達(dá) 160萬 人次

展覽

27 款人形機(jī)器人集中亮相

首發(fā)新品 60 余款

近 170 家參展企業(yè) 600 余件參展產(chǎn)品

參觀人數(shù)近 25萬 人次

大賽

全球 10 余個(gè)國(guó)家和地區(qū)的 7000 余支賽隊(duì)

 13000 余名參賽選手

每天參賽人數(shù) 4000 余人

媒體關(guān)注

近 400 家國(guó)內(nèi)外媒體

短視頻平臺(tái)話題播放量達(dá) 2.9億

以下是演講內(nèi)容實(shí)錄 

Sergej Fatikow（德國(guó)奧爾登堡大學(xué)教授，IEEE RAS 微納機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì)主席）

非常感謝本次會(huì)議的主辦方中國(guó)電子學(xué)會(huì)給我這個(gè)機(jī)會(huì)和大家分享一下，剛剛聽到了韓總的分享，和我今天所探討的議程高度相關(guān)，我們主要是做工業(yè)機(jī)器人在不同場(chǎng)景中的應(yīng)用，主要關(guān)注的是創(chuàng)新。

現(xiàn)在都很清楚可重復(fù)性是非常重要的，但是在微納米層面怎么樣，機(jī)器人如何分揀東西，比如說小的西紅柿只有幾厘米的直徑，這些任務(wù)微納米機(jī)器人很適合了。

重點(diǎn)不只是說分揀番茄，而是想象一下這個(gè)技術(shù)未來的可能性，當(dāng)我們談到不同技術(shù)的舉措時(shí)談的是建設(shè)一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)器。這方面也要達(dá)到微納層面機(jī)械高吞吐量、可靠性、可重復(fù)性以及低成本，我們是需要大量納米級(jí)機(jī)器人在相應(yīng)的領(lǐng)域進(jìn)行工作，這個(gè)完全是另外一種工業(yè)機(jī)器人。所以我們來說一下這門新科學(xué)背后的術(shù)語。

說到高精度，精度和準(zhǔn)確度其實(shí)不太一樣的，需要在納米級(jí)進(jìn)行高精度的定位，而且是有很高的可重復(fù)性和可靠性的，根據(jù)ISO的標(biāo)準(zhǔn)，高精度微納級(jí)的機(jī)器人代表100納米之下，在這之下的機(jī)器人技術(shù)才能被稱之為微納技術(shù)，這方面是關(guān)于小尺寸機(jī)器人專門的科學(xué)。

我們?cè)僬f一下微型機(jī)器人，這方面其實(shí)是有30多年的發(fā)展歷史的，是始于上世紀(jì)90年代，最開始的時(shí)候有一點(diǎn)誤導(dǎo)性的，我們認(rèn)為這樣一些微型機(jī)器人可以達(dá)到納米尺度的精度和可持續(xù)性的，但是之前僅僅是減小機(jī)器人的尺寸，不能解決精度的問題，這就是為什么微納機(jī)器人是另外一個(gè)研究的重點(diǎn)。

我們很快的說一下這樣一個(gè)高精度微型機(jī)器人的定義，我們從90年代開始這門科學(xué)的研究，它是在厘米尺度上進(jìn)行研究，我們的目的是高精度的驅(qū)動(dòng)傳感設(shè)計(jì)和制造，以此能夠確保在納米層面上一個(gè)精度，而不是像之前的厘米級(jí)，我們說的這樣一個(gè)微型機(jī)器人到底要多小，要回答這樣的納米尺度的物理問題，設(shè)計(jì)機(jī)器人其實(shí)并不是最重要的，我們是需要保證機(jī)器人可以以這樣的精度來執(zhí)行任務(wù)，所以說我們并不是應(yīng)用的程序，而是能夠適應(yīng)很多種不同微型機(jī)器人的環(huán)境的精度，很多時(shí)候其實(shí)就像是這么小，像一個(gè)濃縮咖啡大小的機(jī)器人，所以這個(gè)是我們需要做的。

我們注重機(jī)器人的尺寸，以此來看相應(yīng)的納米或者生物材料以及相對(duì)應(yīng)的膜和其它部件的制作，很多時(shí)候可能會(huì)有一些生物工程甚至是細(xì)胞手術(shù)，使用的是超微型手術(shù)刀，我們可以看到在這方面中國(guó)是有很大的潛力的，20年前首次到訪中國(guó)的時(shí)候，在高精度的微型機(jī)器人方面是沒有任何研究的，現(xiàn)在中國(guó)有超過50家非常有實(shí)力的實(shí)驗(yàn)室，正在這個(gè)領(lǐng)域致力于它的研究，我也很高興看到這樣的發(fā)展，通過這樣的研究其實(shí)對(duì)于社會(huì)是有很重要的貢獻(xiàn)的。

這是我們一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，讓大家了解一下，我們是用納米級(jí)機(jī)器人來處理細(xì)胞內(nèi)部，這里會(huì)有很多不同的技術(shù)包括大量的應(yīng)用來制造一個(gè)納米集結(jié)非常復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，可以使用FIB、AFM和其他的業(yè)務(wù)，除了機(jī)器人技術(shù)之外，我們還會(huì)使用高精度的微型機(jī)器人以及在微型層面上會(huì)有實(shí)時(shí)的傳感，這個(gè)是跟自動(dòng)化不可或缺的，我們會(huì)使用這樣一個(gè)原子微波甚至是FIB的影像，比方說會(huì)使用電子數(shù)或者離子數(shù)，這個(gè)時(shí)候也是可以獲取相應(yīng)的影像。

更重要的一點(diǎn)就是我們所有的這些技術(shù)都是在同一個(gè)位置，可能是在同一個(gè)真空室之內(nèi)這個(gè)也是高通量的高度自動(dòng)化的前提，除了這些不同的應(yīng)用之外，我們來看現(xiàn)在幾個(gè)項(xiàng)目。

一個(gè)是德國(guó)高精度微型機(jī)器人的縮寫，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有25年的工作了，這是我們德國(guó)奧登堡的一個(gè)項(xiàng)目，我們首先要做的就是一些分類，這樣一個(gè)具有顛覆性的項(xiàng)目其實(shí)有很多的部分都在我準(zhǔn)備這個(gè)演講中，主要會(huì)有兩類的實(shí)際應(yīng)用。

第一類，會(huì)提供技術(shù)高精度的操作來完成更大的研究項(xiàng)目，這里可以直接轉(zhuǎn)讓高精度機(jī)器人的技術(shù)給到應(yīng)用，把這個(gè)叫做提供助力或者是賦能的技術(shù)。以此來賦能實(shí)際的應(yīng)用。

第二類，關(guān)于基礎(chǔ)研究的，執(zhí)行了大量的基礎(chǔ)科學(xué)的研究，只有你有相應(yīng)的高精度微型機(jī)器人的技術(shù)尤其是有相應(yīng)的定義，有一些生物和納米材料的技術(shù)的儲(chǔ)備，才能讓我們?cè)诖嘶A(chǔ)之上從事基礎(chǔ)研究以及其特定的應(yīng)用。

給大家看一下這兩個(gè)項(xiàng)目類型的事例，首先在我們?nèi)粘．?dāng)中需要做很多的納米線的拾取和放置，這其實(shí)是個(gè)很簡(jiǎn)單的應(yīng)用，揀起來放到另外一邊，就像是工廠里的機(jī)械臂一樣，但是區(qū)別是在納米級(jí)別，只有幾納米粗的這種線，所以大家可以有一個(gè)基本的感受，如果我們?cè)谔幚砑{米級(jí)別的物體的時(shí)候，我們是需要做到很高的精度，而且我們要做到高通量的制造，而且是要有很好的可重復(fù)定位。

我們?cè)诘聡?guó)業(yè)界也是要求我們提供這樣一個(gè)3D不同的納米結(jié)構(gòu)的整合，使用在不同的應(yīng)用中，我們也是做了這樣一個(gè)非常有趣的方法，首先來看高精度機(jī)器人會(huì)應(yīng)用在第一層的應(yīng)用上，最小的其實(shí)是200納米左右的硅原子，我們會(huì)使用高精度技術(shù)來整合結(jié)合下一層納米材料，通過這樣的方式一層層的組裝納米，最終會(huì)形成一個(gè)3D材料，就像幻燈片上演示的這樣。

項(xiàng)目的最后我們把這樣一些不同特質(zhì)的納米粒子，比方說硅、鉀都放到一起，會(huì)發(fā)現(xiàn)會(huì)有一個(gè)刻時(shí)的現(xiàn)象，各個(gè)層級(jí)納米粒子之間會(huì)有一個(gè)相互的，我們是3D的結(jié)構(gòu)，換句話說每個(gè)分子在這個(gè)3D結(jié)構(gòu)上特定的位置其實(shí)都是可以安裝和移除的，這是我們特定技術(shù)的應(yīng)用，3D組裝。

另外一個(gè)技術(shù)其實(shí)是這樣一些家具，我們會(huì)使用高精度的納米機(jī)器人來做相應(yīng)技術(shù)的一個(gè)家裝，這是一個(gè)很重要的技術(shù)，是含箔氣體的應(yīng)用，但是是很困難的，所以會(huì)有局部聚焦的方式來做相應(yīng)的工作，實(shí)際上是一種膠體探針，我們會(huì)使用高精度的方式來組裝不同層的工作。會(huì)使用這樣一個(gè)含箔氣體在掃描中完成組裝，這就是我們一個(gè)項(xiàng)目，我們很多的項(xiàng)目都是在類似的很前沿的應(yīng)用領(lǐng)域的。

另外一個(gè)很有趣的應(yīng)用就是另外一個(gè)領(lǐng)域，有一個(gè)很有趣的主題就是石墨稀膜的利用，我們從這里看一下視頻，首先來看石墨稀膜有什么樣的特性，左邊可以看到是石墨稀，它的膜的厚度大約只有2納米厚，是非常薄的。我們是通過這樣一個(gè)膜很緩慢的折射得到一個(gè)3D的圖形就可以了解這個(gè)物質(zhì)的特征，這是一個(gè)非常獨(dú)一無二的項(xiàng)目。

因?yàn)榧{米膜陣列會(huì)有自動(dòng)表位的特征，可以通過成像進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋，這也是一個(gè)非常重要的這是另外德國(guó)的公司做的項(xiàng)目。它是跟一個(gè)心臟疾病的中心合作，可植入的器械來衡量患者的血壓，我們是通過一個(gè)電子數(shù)內(nèi)置的方式來完成的，它是電徑內(nèi)一個(gè)納米顆粒隧道的電阻原理，通過壓電的方式，通過機(jī)動(dòng)器感受到熱差，以此來看患者的血壓。

正常情況下血管內(nèi)尺寸要求確實(shí)是納米級(jí)的，大家在這邊可以看到，大家如果想要的話其實(shí)這也是一種AI或者是適應(yīng)性的智能控制，我們當(dāng)時(shí)做法就是一個(gè)實(shí)時(shí)的方式，可以傳感中的數(shù)據(jù)基于模板利用大數(shù)據(jù)的方式來看它的一個(gè)匹配，會(huì)有一個(gè)實(shí)時(shí)漂移的補(bǔ)償，在體內(nèi)是一個(gè)全自動(dòng)的，考慮到熱流的流動(dòng)，可能是在保證一直的穩(wěn)定性，以此可以提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的精度和準(zhǔn)確性。

基板上有36個(gè)NTI，機(jī)械和定期的方差只有不到10%這是非常有趣的應(yīng)用，第二類的項(xiàng)目應(yīng)用剛剛已經(jīng)說到了基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究，在這里會(huì)看到納米材料熱力學(xué)特征的研究和黏附特性，大家如果了解納米材料的話，其實(shí)有很多種不同的材料，其實(shí)很多都會(huì)有黏附的問題，或者說腐蝕的問題，這是我們需要解決的問題。

我們是需要在整個(gè)組裝過程中防止黏附對(duì)于器件性能造成影響，這方面目前沒有很精確的知識(shí)，所以需要通過仿真來了解它做控制，這里通過微型高精度的機(jī)器人，通過探針來整理納米線，這有兩種不同的應(yīng)用，這里有兩種不同的納米工具來組裝納米線到表面，右邊可以看到如何通過手動(dòng)的運(yùn)壓的過程高精度的完成。

如果你是機(jī)械工程師更了解這點(diǎn)，但是在納米的層面上是非常具有挑戰(zhàn)性的，我們要實(shí)時(shí)的監(jiān)控納米線的所在位置。這也是后面做的模具，我們還沒有發(fā)表，還在做第一個(gè)原型，這是在微米層面所生成的基本模型，是一個(gè)納米的彎折，主要的問題就是黏連，因?yàn)橛形⒂^的吸引力，所以會(huì)導(dǎo)致牽連變形，所以我們使用了納米的繞線技術(shù)，讓它避免能夠因?yàn)轲みB的情況發(fā)生而使得技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)能夠發(fā)揮，這是使用納米技術(shù)制作的金屬部件。

這是幾年前我們所做的研究，如何處理液體金屬在納米的狀態(tài)做微觀的金屬液滴，SEM通過電磁進(jìn)行制造，它的應(yīng)用在這里學(xué)到的是如何控制納米的金屬尺寸和外形，并將它放到需要的位置，怎么應(yīng)用很多公司都需要他們?cè)谘芯浚幸粋€(gè)納米的平板做出線路，所以需要納米的球在上面進(jìn)行點(diǎn)擊，因?yàn)樾枰曈X的反饋來定位。有三納米的直徑可以形成壓痕，從而形成視覺的標(biāo)志。

要是在納米層級(jí)能夠進(jìn)行設(shè)備的制造和應(yīng)用，我們要在納米平面對(duì)物料有能力進(jìn)行處理，這需要非常高精度的機(jī)器人，它對(duì)于工程的儀器至關(guān)重要，這樣才能夠滿足納米科技的商業(yè)化需求，HP機(jī)器人對(duì)于納米層級(jí)相關(guān)的工業(yè)是一種賦能科技，HP的機(jī)器人沖擊和影響相當(dāng)于納米科技的影響，這是我們現(xiàn)在已經(jīng)這個(gè)團(tuán)隊(duì)做出的一些貢獻(xiàn)，我們非常自豪，從一個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)在中國(guó)北京有三個(gè)企業(yè)，上海也有合作的企業(yè)，小型的機(jī)器人制造自動(dòng)化和操控方面有相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)推出到市場(chǎng)上，很快會(huì)在中國(guó)杭州浙江大學(xué)，兩年后會(huì)開這個(gè)會(huì)議。

給大家看一個(gè)電影開幕式時(shí)候的一個(gè)小視頻，讓我們回顧為什么要建造機(jī)器人，我們是為了自動(dòng)化的制造納米級(jí)別的設(shè)備來為人類和社會(huì)造福，感謝諸位的聆聽。

（本文根據(jù)錄音整理）