[发明专利]一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人

说明书

本发明提出一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，包括至少三层贴合的薄膜；其中下层薄膜和上层薄膜分布均包括形状记忆合金薄膜区域和导电的应力材料薄膜区域；中层薄膜为绝缘的非金属薄膜；形状记忆合金与应力材料的热膨胀系数不同；下层薄膜和上层薄膜不同材料薄膜区域对应叠放，且形成具有频率选择性的电容‑电感谐振电路。本发明提出的微型爬行机器人基于形状记忆合金薄膜，退火无需模具，在射频磁场中能够自主进行驱动，集结构、无线能源接收和驱动变形于一体；可进行小尺寸批量化制造，生产成本低，能够广泛用于介入医疗、侦察监测和精密维修等领域。

技术领域

本发明属于微型机器人研究领域，具体涉及一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人。

背景技术

微型爬行机器人凭借其尺寸小，隐蔽性强，高度的渗透性以及卓越的精确度，能够代替人类到达狭窄的空间、地下、水下以及人体内等区域进行精细化作业，因而在军事侦察、航空航天、医疗、工业以及其他民用方面展现出不可比拟的优势，具有广泛而深远的应用价值。微型爬行机器人具有径向尺寸小，结构简单，运动可靠，隐蔽性强等诸多优点，有助于军事侦察任务及灾后重建，降低介入式医疗实施的复杂性和医疗器械成本，并提高此类手术的精确性和普及性，提高微小管道内维修的精度和效率，因此具有重要的军民应用价值，得到了研究者们的广泛关注。

作为微型爬行机器人的技术核心，微型驱动技术决定了微型爬行机器人的尺寸和性能。目前微型爬行机器人的主要驱动方式有：静电驱动，压电陶瓷驱动，电磁驱动，热驱动，气动驱动以及形状记忆合金驱动。气动驱动的微型爬行机器人尺寸大，运动速度很慢；电磁驱动的微型爬行机器人结构复杂，对激励条件要求很高；静电驱动的爬行机器人驱动力小、负载能力差；压电陶瓷驱动的爬行机器人工作电压高、驱动行程小。以上各种驱动方式的爬行机器人均具有显著缺点，目前的实际应用受限。相比于上述驱动方式，形状记忆合金驱动具有高能量密度，强驱动力，大致动距离，优良的生物相容性等优越性能，成为了目前微型爬行机器人的优选驱动方式之一。然而，传统形状记忆合金往往具有响应频率慢的普遍问题，制约了形状记忆合金材料的发展。为解决该问题，基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术所提出的形状记忆合金薄膜应运而生，由于其具有更大的表面积-体积比，因此散热更快，响应频率更高，但由此引入了微观尺度下难以制造形状记忆合金薄膜退火模具的问题。

另一方面，随着微型机器人尺寸的减小，能源与控制问题成为了限制其进一步发展的瓶颈。有线能源供给极大地束缚了微型机器人的运动能力，而微型电池的能量密度普遍较低，续航短，同时限制了机器人尺寸和重量的进一步减小。近年来采用射频无线传感、激光驱动、磁驱动等外部条件激励微型智能机器人进行能源供给和控制的研究方案使微型机器人摆脱了有线束缚，扩展了应用场景。由于形状记忆合金直接依靠温度变化产生驱动，因此利用射频无线传感激励或激光驱动光伏电池，通过焦耳效应改变形状记忆合金温度进行驱动控制是极具潜力的无线能源供给方案。其中射频无线传感所需的外部激励条件易实现，同时对微型智能机器人结构设计所提出的要求更加宽松，成为了以形状记忆合金作为驱动方式的微型智能机器人优选无线能源供给方案之一。如何将射频无线传感应用于形状记忆合金薄膜驱动微型爬行机器人，同时满足MEMS制造工艺要求，以尽可能简化微型智能机器人结构、减小尺寸并降低生产成本，同时解决形状记忆合金薄膜退火问题，是一项极具挑战性的任务。

发明内容

针对目前微型机器人在小尺寸下的能源、控制和制造等问题，以及基于形状记忆合金驱动的微型机器人所具有的响应频率低、运动速度慢等问题，本发明提出一种基于形状记忆合金薄膜，退火无需模具，在射频磁场中能够自主进行驱动，集结构、无线能源接收和驱动变形于一体，可快速爬行的微型爬行机器人。机器人结构方案与MEMS工艺匹配，因此可进行小尺寸批量化制造，生产成本低，从而能够广泛用于介入医疗、侦察监测和精密维修等领域。

本发明的技术方案为：

所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，包括至少三层贴合的薄膜；