【仪表网 研发快讯】近日，上海交通大学集成电路学院(信息与电子工程学院)智能感知与生物医学微系统实验室杨斌研究员团队，针对微型狭窄管道环境探测，提出了一种超声微型机器人设计，相关成果以“An Ultrasonic Microrobot Enabling Ultrafast Bidirectional Navigation in Confined Tubular Environments”(可在密闭管状环境中实现超快速双向导航的超声微型机器人)为题发表在《Nano-Micro Letters》上。
研究背景
管道作为石油化工、发电、核能及医疗保健等行业输送气体、液体的重要通道，随着使用时间延长，常因老化、腐蚀、堵塞或损坏而需要定期检查。然而，许多管道内部空间狭窄且几何结构复杂弯曲，常规检测方法难以进入，带来巨大挑战，催生了对新型检查技术的迫切需求。近年来，微型机器人被视为管道检测的潜在方案，并涌现出多种驱动方式，包括磁场、气动、介电弹性体、电磁、电化学、光能及压电驱动等。但各类方式受限于驱动条件和结构尺寸：气动或电机驱动仅适用于大管径，磁驱动受铁磁管道限制，光驱动难以在不透明管道应用，介电弹性体驱动需要数千伏高压。因而，研发一种能在狭窄密闭管道中低电压驱动并高速导航的微型机器人，仍是亟待解决的关键问题。
创新成果
该研究提出了一种基于MEMS工艺的超声驱动微型机器人，其核心优势在于低电压驱动(3 Vpp)、高速双向运动(81 cm/s)、强爬坡(24.25°)与承载能力(超过自重36倍)。机器人可在毫米级狭窄管道、弯曲管道、不同材质管道及水面环境中灵活运行，并可搭载微型内窥镜实现实时检测，在微型管道检测中展现出巨大应用潜力。
超声微型机器人的设计
该微型机器人依托高性能PZT压电薄膜在交变电场下的快速伸缩变形实现驱动，超声频率可激发高阶弯曲模态，使主体产生波浪状运动，并在与管壁摩擦耦合下将微观振动转化为宏观高速运动。实验结果表明，在约54.8 kHz谐振频率下，机器人运动性能最佳，速度可达81 cm/s。通过调节驱动频率，机器人能够在不同模态下实现前进和后退的切换。机器人的驱动电压与速度呈近似线性关系，进一步证明了压电驱动在能量输入与运动性能之间的高效转换能力。
进一步实验表明，该超声微型机器人在不同直径管道中均具备良好适应性，且速度性能远超其他驱动原理管道机器人。其最小驱动电压仅3 Vpp，远低于介电弹性体和多数压电机器人，展现出高效的能量利用率。同时在爬坡、负载性能中展现卓越稳健性和性能优势。该机器人还可在水面上开展运动，并可搭载微型内窥镜摄像头开展管道内实时成像检测，验证了机器人执行微型管道巡检任务的可行性。
超声微型机器人的性能表征、对比及应用测试
总结与展望
该研究报道了一种基于超薄压电复合结构的超声微型机器人，具备低电压驱动(3 Vpp)、高速运动(81 cm/s)、双向可编程导航及优异的爬坡和承载能力。其可适应直径9–27 mm的多种管道，并在弯曲管道及水面环境中稳定运行。与其他驱动方式相比，该机器人在速度、能效和环境适应性方面更具优势。通过集成微型内窥镜相机，验证了其在管道检测中的潜力，未来结合电源与通信模块有望实现无线自主应用。
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