上海交大杨斌团队发表用于狭窄管道环境探测的超声微型机器人新进展

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。

相关论文被《Nature Reviews Electrical Engineering》作为research highlights报道。

论文信息

崔猛（左）、杨斌（右）

上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）博士生崔猛为论文第一作者，集成电路学院（信息与电子工程学院）杨斌教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海交通大学医工交叉重点基金等项目资助。

杨斌，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）研究员，博士生导师。研究领域涵盖智能柔性感知微系统、MEMS压电传感-驱动器件、压电超声换能器、压电微机器人等。先后主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、装备预研教育部联合基金等项目。

作者： 集成电路学院（信息与电子工程学院） 供稿单位： 集成电路学院（信息与电子工程学院）