摘要：据探索前沿科技边界，传递前沿科技成果的X-robot投稿——这项研究来自卡内基梅隆大学机器人研究所团队。该机器人具有优异的能力，在毫米级的尺寸下，实现了超高速运动与极高精度：其共振频率达到1050 Hz，运动精度可至 0.2 μm，约为一根头发直径的 1/20

迄今为止全球最小、最轻的微型Delta 机器人来了！

它的基座直径仅1.6 毫米，高度更是只有 0.723 毫米。

据探索前沿科技边界，传递前沿科技成果的X-robot投稿——这项研究来自卡内基梅隆大学机器人研究所团队。该机器人具有优异的能力，在毫米级的尺寸下，实现了超高速运动与极高精度：其共振频率达到1050 Hz，运动精度可至 0.2 μm，约为一根头发直径的 1/20。

该研究的核心技术突破在于成功利用微尺度3D打印技术，将Delta 并联机器人机构“微缩”，并创新性地采用“柔性关节”和“3D静电梳状驱动器”替代传统设计，解决了微尺度下的摩擦、间隙和驱动难题。

近日，相关论文以《The microDelta: Downscaling robot mechanisms enables ultrafast and high-precision movement》发表在国际机器人权威期刊《Science Robotics》上。

▍核心突破：微纳尺度下的“精工细造”

要制造如此微小的机器人，首先必须解决“如何造”的问题。传统加工方法难以实现如此细微的结构；普通 3D 打印精度不够；而二维微加工技术又往往需要手动组装，不仅效率低，还容易损坏结构。

微型Delta 机器人

为此，研究团队选择了“双光子聚合 3D 打印”技术。该技术利用超短脉冲激光，在光敏树脂内部精准引发聚合反应，可实现最小特征尺寸低于 100 纳米的结构打印，从而一次性完成整个机器人机构的高精度制造。

微型Delta机器人的制造流程包含三个关键步骤：首先，通过TPP技术在高掺杂硅衬底上一次性集成化打印出包含旋转致动器、柔性关节和运动连杆的完整机器人机构；随后，通过XeF₂气相蚀刻工艺选择性去除硅衬底，释放可动结构；最后，采用磁控溅射技术在聚合物结构表面沉积约50纳米厚的金层，形成导电通路，为静电致动提供必要的电极。

微型Delta 的制造过程

尽管体型微小，但其内部结构却十分精巧。它属于并联机器人，拥有三条腿连接着基座和末端的执行器平台，这种设计使其运动稳定、承载能力强。与传统Delta机器人使用铰链不同，微型Delta的所有关节都是利用材料本身弹性变形实现的“柔性关节”，避免了微小尺度下摩擦和间隙带来的问题。驱动这些机器人运动的，是研究团队精心设计的3D静电梳状驱动器。其工作原理可以通俗地理解为通过控制“内、外侧静态梳状驱动器”的电压变化带动中间“移动梳状驱动器”旋转，就能精确控制机器人的输入角度，而且这种驱动器反应极其迅速。

这种制造策略的核心优势在于实现了机构与致动器的一体化成型，避免了微尺度下复杂的装配过程。通过TPP技术的高分辨率制造能力，研究人员能够在亚μm尺度上精确控制柔性铰链的刚度、质量块的惯性等关键参数，为优化机器人的动态性能提供了可能。

▍性能实测：小身材蕴含大能量

团队制造了两种尺寸的微型Delta 机器人：较大的 microDelta-1X 基座直径 3.2 毫米，高度 1.4 毫米；较小的 microDelta-0.5X 则是等比例缩小版，基座直径仅 1.6 毫米，高度更是只有 0.723 毫米。与此前报道的同类机器人相比，它们的体积缩小了一个数量级。

在实际测试中，这款微型机器人展现出卓越的性能。测试数据显示，microDelta-0.5X 的共振频率高达 1050 Hz，意味着它的末端执行器能以每秒 1050 次的频率往复运动，远超现有Delta 机器人的性能水平。即使在 1600 Hz的高频下，它仍能保持稳定运动，未出现明显的幅值衰减。

microDelta -1X 的准静态轨迹跟踪和工作空间表征结果

精度方面表现同样出色。microDelta-1X 沿星形轨迹运动时，均方根误差仅 4.6 μm；而更小的 microDelta-0.5X 表现更优，圆形轨迹的均方根精度达到 0.2 μm，星形轨迹也仅 0.7 μm。这种精度足以满足微电子组装、细胞操作等高端应用需求，比如精准抓取直径1 μm的细胞，或是放置微型芯片时误差不超过一根纳米线的宽度。

微型Delta 的频率响应

工作空间方面，microDelta-1X 在 x、y、z 三个方向的移动范围均在 150-200 μm之间，虽然绝对空间不大，但相对自身体积而言，其活动范围十分可观。团队通过让机器人沿工作空间边界运动验证了其灵活性，结果显示，在 xy 平面内的轨迹跟踪误差极小，仅在 z 轴方向因校准不足存在轻微偏差。

此外，为了测试实际应用能力，团队设计了一项有趣的实验：让microDelta-1X 发射微型弹丸。实验中，他们将一粒质量37 μg的盐粒放在机器人的末端执行器上，通过逐步加载电压储存弹性势能，再突然释放能量，将盐粒高速弹出。高速摄像机捕捉到，这粒盐粒最高飞行到 4 毫米高度，相当于自身直径的 12.5 倍，发射速度达到 303 mm /s，这相当于从微型 Delta 装置向弹丸传递了 1.7 nJ 的能量，平均功率为 1.2 μW。

弹丸发射实验

这个看似简单的实验意义重大：它证明微型Delta 机器人不仅能实现精准运动，还能向环境传递机械功，足以克服微尺度物体常见的表面粘附力。这意味着在实际应用中，它能够完成 “拾取 - 放置” 微型零件、释放粘附的生物样本等复杂任务，解决了微型操作领域的核心难题。

▍理论与现实的碰撞

尽管性能优异，但微型Delta 机器人的实测数据与理论缩放预测仍存在差异。比如将机器人尺寸缩小一半后，致动器扭矩应减半，柔性关节刚度变为 1/8，角位移则变为 4 倍。但实际测试中，microDelta-0.5X 的扭矩低于预期，角位移仅为 microDelta-1X 的 0.76 倍，并未达到理论值的 4 倍。

这些差异源于微尺度下的制造限制，首先，缩小后的梳状指间隙更小，制造过程中容易出现粘滞现象，团队不得不减少梳齿数量、增大梳齿宽度，导致扭矩下降；其次，3D 打印的体素高度限制了柔性关节的最小厚度，使得实际刚度比设计值高 3.2 倍；此外，微尺度下金属化工艺难以保证均匀覆盖，也会影响静电致动器的性能。

不过也有意外收获，由于柔性关节刚度高于预期，microDelta-0.5X 的共振频率达到 3000 Hz，是理论值的 1.75 倍，进一步提升了其高速运动能力。空气阻尼的影响也低于预期，即使在大气压下，机器人的高频运动也未受到明显阻碍 —— 这意味着它无需在真空环境中工作，降低了应用门槛。

微型Delta 机器人的诞生，不仅验证了尺度定律在毫米级机器人上的适用性，更展示了 3D 打印技术在精密制造领域的巨大潜力。从技术层面看，这项成果融合了材料科学、机械设计、微纳制造等多个领域的前沿技术，为微型机器人的发展提供了新的范式；从应用价值看，它有望解决微操作、微制造等领域的核心痛点，推动相关产业向更小、更精、更快的方向发展。

随着制造工艺的不断进步，未来的微型机器人可能会缩小到μm级别，甚至实现 “纳米机器人” 的实用化。

▍关于X-robot

X-robot是中关村机器人产业创新中心与机器人大讲堂联手打造的权威性信息发布品牌专栏，集前沿探索、产业研究、知识普及于一体，致力于积极推动新质生产力的生成与发展，助力我国乃至全球机器人行业的蓬勃繁荣。X-robot立足国际化视野，通过全方位、多角度的挖掘与追踪，生动展现机器人前沿技术与尖端成果，为学术界、产业界及公众提供一个洞见未来、共享科技的重要窗口。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx3883

来源：机器人大讲堂一点号