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什麽是微型機器人?

微機械學應運而生

——20世紀末微型機器人的誕生科學家預言,20世紀最偉大的科學領域是微世界,比針尖還小的微型機械開創了嶄新的科學領域。微型機器人,已成為人類驕子。

多大的機器人算微型機器人?在20世紀80年代,日本東京大學教授林輝的定義是:1毫米至10毫米為小型機械,10微米至1毫米為微型機械,10納米至10微米為超微型機械,統稱為微型機械。微型機器人的體積,可以做到微米級甚至亞微米級,重量輕至納克,加工精度達微米、納米級。

日本壹家公司,已經用微型零件安裝了壹輛能開動的微型汽車,它的大小相當於壹顆米粒,靜電馬達的直徑只有1-2個微米。這家公司,還制造了壹種能開動的微型車床,大小只有普通車床的萬分之壹;公司制造的人工智能尺蠖,直徑只有5.5毫米。據稱,不久的將來,這種人工智能尺蠖,將有可能在核電站的彎彎曲曲的管道中爬行,去尋找管道的裂縫。

德國微型技術研究所的物理學家沃爾夫岡·埃菲爾德,已研制出壹架雙引擎直升機,重量不到0.5克,能向空中升起130毫米。它的高性能微型馬達,功率為1瓦,每分鐘轉速可達10萬轉,個頭卻只有削尖的鉛筆尖那麽大。這種尺寸只有黃蜂大小的直升機,雖然離實用還有很大距離,但是它令人信服地表明,極其微小的微型馬達,最終將能用來驅動電子顯示器、手表、微型計算機、激光掃描器和微型外科手術器械等。

要做成微型機器人,原先的工業技術已完全不適用。構成微型機械必須有非常小的零件,制造那樣的零件,要求材料、加工方法和組裝,都必須開發全新的技術。美國得克薩斯儀器公司利用制造矽片的蝕刻工藝,來制造尺寸極小的微電子機械系統——MEMS。MEMS技術是集成電路微細加工技術,它將驅動器、傳動裝置、傳感器、控制器、電源集成於幾立方毫米的多晶矽片上,因而能獲得機電壹體化的微型機械。壹些MEMS的雛形已在美國、日本、德國獲得廣泛應用。例如,壹種直徑只有頭發絲粗細的自動檢測傳感器,已經安裝在數百萬輛小汽車裏,當它感到沖擊來臨時,就會讓空氣包自動張開,保護司機和乘客。

科學家發現,微型機械的可靠性和結實程度非常驚人。美國的貝爾實驗室將壹輛微型機械震動了20億次,根本沒有損壞它壹絲壹毫,因為它實在太輕,就像把紙屑往地上摔壹樣不會受損。

微型機器神奇的前景,引起了科學家的高度重視和濃厚興趣,於是壹門新興學科——微機械學也就應運而生。

1991年10月,日本投資1.7億美元研制出壹種微型潛艇狀膠囊,內裝袖珍機器人。膠囊的直徑僅8.5毫米,像艘小潛艇,若被吞進胃中,它能觀察和分析胃部情況,醫務人員便可通過遙控指揮,操縱膠囊內的電腦程序進行工作,遇到病竈還可以進行治療,完成治療任務後,便隨糞便排出,對人體絲毫無損。

日本生產的另外壹種微型導管,直徑僅5毫米,尾部有攝影機和激光機,管內裝有機器人。管子可以從皮膚插進血管,也可以插入膽囊或胰臟。機器人進入人體後,可以通過它的攝影機,把人體內的狀況清晰地顯示在電視屏幕上,供醫生作出正確診斷;體內的機器人也可以直接用於治療。

日本東京大學工學部的肥健純教授等人,研究出可以進入人腦進行手術的機器人。實際上這是壹支小小的針,針上裝有小型激光手術刀和能吸收組織的裝置。手術時,通過觀看X線和CT成像的合成立體頭部圖像,確定手術的部位以及進針的角度和深度,針進到合適位置,就在計算機的控制下開始手術。這臺設備1994年已開始臨床應用。

為了確保手術安全,美國眼外科醫生查爾斯與壹實驗室合作,於1996年研制出壹個防止手術時手顫抖的機械系統,設計出代替人手動作的機器人。當醫生移動操縱桿1厘米時,機械手術刀則只移動1毫米,使得手術動作細微精確,還可避免意外事故的發生。查爾斯當時預計,這種手術刀在兩年內可望投放市場。

美國明尼蘇達大學的波拉研制的壹個裝置,能在血管中行走,能在人體血液中輸液,還可以連續地在血液中監視糖尿病人的葡萄糖濃度,並將胰島素輸送給患者。

在匹茲堡的卡內塞基梅隆大學,有人發明了壹個微葉輪,它可應用於動脈粥樣硬化患者體內。它的葉輪刀片比頭發絲還細,被放置在人體血液中時,血液壹流動,葉輪就旋轉。

能進入人體的各種袖珍機器人,已經微小到匪夷所思的程度;它們在醫學上所起的作用,是半個世紀以前的人所無法想象的。