据外媒报道，横滨国立大学（YOKOHAMA National University）研究人员设计出一款微型、轻便、无线的机器人，可在某些极端条件下以超高精度独立工作。设计师们称该机器人为“完整约束甲虫3”（或HB-3），其灵感来自犀牛甲虫的运动和解剖结构。该机器人结合压电致动器与自主技术，能够完成以前机器人无法完成的微尺度操作任务。

（图片来源：横滨国立大学）

HB-3旨在满足实验室自动化、医疗程序和科研等领域日益增长的需求，在多尺度上进行精准操控，从纳米材料、细胞操控到芯片组件组装，这些操作在人类无法或难以进入的环境中进行。在真空、洁净、通风和生物危害安全室中实现此类操控尤为必要。相关论文发表在期刊《先进智能系统（Advanced Intelligent Systems）》上，其中描述了该机器人的设计和功能。

近年来，自主（无线）机器人已在各领域得到实际应用，如工业领域、事故现场、医疗领域，以及人类无法进入的极端环境或密闭空间等。与此同时，各类设备的内部电子组件也在快速向小型化发展，包括开发厚度仅为几微米的微型电池和微型超级电容器。然而，与这些微小的部件相比，传统定位装置仍然显得过于庞大、笨重，在能源和空间效率方面还有很大的改进空间。即使驱动电路和电池已变得很小，它们的性能范围和操作自由度仍然非常有限。

为了解决这些问题，人们开发了各种精密的致动器（基本上是机器人的“肌肉”，将电能、液压能或气动能等能量转换为运动）以改进这些定位装置，其中压电致动器尤其表现出巨大的前景。压电材料在受到机械应力（本质上是推或挤）时会产生电荷，例如石英表中的石英或PZT（锆钛酸铅）等合成陶瓷。它们还会执行相反的操作，在施加电场时发生变形。借助这种压电特性，它们可以响应非常精确定义的电信号（通常为纳米级）而发生膨胀或收缩，从而实现超精细的运动。然而，虽然人们已经开发出许多微型机器人和夹持器，但目前还没有哪种移动微操作器既可以集成压电驱动技术，又能实现自主性、不受束缚且适应实际应用。

HB-3的设计核心在于其紧凑、轻量化的结构，仅重515 g，体积仅为10 cm³。其中集成驱动电路使用单板计算机，从而消除了该团队在先前研究中由电源线引起的问题。HB-3还配备了内置摄像头，并使用机器学习算法执行任务，因而能够实时调整其动作，这是以前的微操作器所没有的功能。

在严格的测试过程中，HB-3在密闭、隔离的环境中执行各种任务时表现出色，它们可以使用不同的工具，例如用于拾取和放置芯片部件的精密镊子，或用于施加微小液滴的注射器，同时在x轴上的平均定位精度仅为0.08 mm，在y轴上仅为0.16 mm，其中87%的任务被视为获得了成功。这些工具可以根据需要灵活地转换为测量探针、烙铁、螺丝刀和其他精密仪器，并且可在从米到纳米等多尺度上进行操作。

横滨国立大学工程学院副教授Ohmi Fuchiwaki表示：“我们已经有能力突破小型化的界限，创造一种真正自主、不受束缚的设备，它可以在狭小、危险的空间中运行。HB-3不仅可以处理复杂的任务，而且可以实现无与伦比的精度。”

尽管如此，该团队仍希望对这种“小甲虫”设备进行微调。他们认为，HB-3的处理速度（依赖于Raspberry Pi CPU）可以提升，并且该机器人检测物体所需的时间可以减少，或许这可以通过将物体检测转移到外部高性能计算机上来实现。展望未来，研究人员还希望提高其速度和精度，并致力于集成内部侧视和顶视摄像头，以提高z轴定位的精度。