全球最小Delta機器人！3D打印而成，論文登《Science Robotics》

迄今為止全球最小、最輕的微型Delta 機器人來了！

它的基座直徑僅1.6 毫米，高度更是只有 0.723 毫米。

據探索前沿科技邊界，傳遞前沿科技成果的X-robot投稿——這項研究來自卡內基梅隆大學機器人研究所團隊。該機器人具有優異的能力，在毫米級的尺寸下，實現了超高速運動與極高精度：其共振頻率達到1050 Hz，運動精度可至 0.2 μm，約為一根頭發直徑的 1/20。

該研究的核心技術突破在于成功利用微尺度3D打印技術，將Delta 并聯機器人機構“微縮”，并創新性地采用“柔性關節”和“3D靜電梳狀驅動器”替代傳統設計，解決了微尺度下的摩擦、間隙和驅動難題。

近日，相關論文以《The microDelta: Downscaling robot mechanisms enables ultrafast and high-precision movement》發表在國際機器人權威期刊《Science Robotics》上。

▍核心突破：微納尺度下的“精工細造”

要制造如此微小的機器人，首先必須解決“如何造”的問題。傳統加工方法難以實現如此細微的結構；普通 3D 打印精度不夠；而二維微加工技術又往往需要手動組裝，不僅效率低，還容易損壞結構。

微型Delta 機器人

為此，研究團隊選擇了“雙光子聚合 3D 打印”技術。該技術利用超短脈沖激光，在光敏樹脂內部精準引發聚合反應，可實現最小特征尺寸低于 100 納米的結構打印，從而一次性完成整個機器人機構的高精度制造。

微型Delta機器人的制造流程包含三個關鍵步驟：首先，通過TPP技術在高摻雜硅襯底上一次性集成化打印出包含旋轉致動器、柔性關節和運動連桿的完整機器人機構；隨后，通過XeF?氣相蝕刻工藝選擇性去除硅襯底，釋放可動結構；最后，采用磁控濺射技術在聚合物結構表面沉積約50納米厚的金層，形成導電通路，為靜電致動提供必要的電極。

微型Delta 的制造過程

盡管體型微小，但其內部結構卻十分精巧。它屬于并聯機器人，擁有三條腿連接著基座和末端的執行器平臺，這種設計使其運動穩定、承載能力強。與傳統Delta機器人使用鉸鏈不同，微型Delta的所有關節都是利用材料本身彈性變形實現的“柔性關節”，避免了微小尺度下摩擦和間隙帶來的問題。驅動這些機器人運動的，是研究團隊精心設計的3D靜電梳狀驅動器。其工作原理可以通俗地理解為通過控制“內、外側靜態梳狀驅動器”的電壓變化帶動中間“移動梳狀驅動器”旋轉，就能精確控制機器人的輸入角度，而且這種驅動器反應極其迅速。

這種制造策略的核心優勢在于實現了機構與致動器的一體化成型，避免了微尺度下復雜的裝配過程。通過TPP技術的高分辨率制造能力，研究人員能夠在亞μm尺度上精確控制柔性鉸鏈的剛度、質量塊的慣性等關鍵參數，為優化機器人的動態性能提供了可能。

▍性能實測：小身材蘊含大能量

團隊制造了兩種尺寸的微型Delta 機器人：較大的 microDelta-1X 基座直徑 3.2 毫米，高度 1.4 毫米；較小的 microDelta-0.5X 則是等比例縮小版，基座直徑僅 1.6 毫米，高度更是只有 0.723 毫米。與此前報道的同類機器人相比，它們的體積縮小了一個數量級。

在實際測試中，這款微型機器人展現出卓越的性能。測試數據顯示，microDelta-0.5X 的共振頻率高達 1050 Hz，意味著它的末端執行器能以每秒 1050 次的頻率往復運動，遠超現有Delta 機器人的性能水平。即使在 1600 Hz的高頻下，它仍能保持穩定運動，未出現明顯的幅值衰減。

microDelta -1X 的準靜態軌跡跟蹤和工作空間表征結果

精度方面表現同樣出色。microDelta-1X 沿星形軌跡運動時，均方根誤差僅 4.6 μm；而更小的 microDelta-0.5X 表現更優，圓形軌跡的均方根精度達到 0.2 μm，星形軌跡也僅 0.7 μm。這種精度足以滿足微電子組裝、細胞操作等高端應用需求，比如精準抓取直徑1 μm的細胞，或是放置微型芯片時誤差不超過一根納米線的寬度。

微型Delta 的頻率響應

工作空間方面，microDelta-1X 在 x、y、z 三個方向的移動范圍均在 150-200 μm之間，雖然絕對空間不大，但相對自身體積而言，其活動范圍十分可觀。團隊通過讓機器人沿工作空間邊界運動驗證了其靈活性，結果顯示，在 xy 平面內的軌跡跟蹤誤差極小，僅在 z 軸方向因校準不足存在輕微偏差。

此外，為了測試實際應用能力，團隊設計了一項有趣的實驗：讓microDelta-1X 發射微型彈丸。實驗中，他們將一粒質量37 μg的鹽粒放在機器人的末端執行器上，通過逐步加載電壓儲存彈性勢能，再突然釋放能量，將鹽粒高速彈出。高速攝像機捕捉到，這粒鹽粒最高飛行到 4 毫米高度，相當于自身直徑的 12.5 倍，發射速度達到 303 mm /s，這相當于從微型 Delta 裝置向彈丸傳遞了 1.7 nJ 的能量，平均功率為 1.2 μW。

彈丸發射實驗

這個看似簡單的實驗意義重大：它證明微型Delta 機器人不僅能實現精準運動，還能向環境傳遞機械功，足以克服微尺度物體常見的表面粘附力。這意味著在實際應用中，它能夠完成 “拾取 - 放置” 微型零件、釋放粘附的生物樣本等復雜任務，解決了微型操作領域的核心難題。

理論與現實的碰撞

盡管性能優異，但微型Delta 機器人的實測數據與理論縮放預測仍存在差異。比如將機器人尺寸縮小一半后，致動器扭矩應減半，柔性關節剛度變為 1/8，角位移則變為 4 倍。但實際測試中，microDelta-0.5X 的扭矩低于預期，角位移僅為 microDelta-1X 的 0.76 倍，并未達到理論值的 4 倍。

這些差異源于微尺度下的制造限制，首先，縮小后的梳狀指間隙更小，制造過程中容易出現粘滯現象，團隊不得不減少梳齒數量、增大梳齒寬度，導致扭矩下降；其次，3D 打印的體素高度限制了柔性關節的最小厚度，使得實際剛度比設計值高 3.2 倍；此外，微尺度下金屬化工藝難以保證均勻覆蓋，也會影響靜電致動器的性能。

不過也有意外收獲，由于柔性關節剛度高于預期，microDelta-0.5X 的共振頻率達到 3000 Hz，是理論值的 1.75 倍，進一步提升了其高速運動能力。空氣阻尼的影響也低于預期，即使在大氣壓下，機器人的高頻運動也未受到明顯阻礙 —— 這意味著它無需在真空環境中工作，降低了應用門檻。

微型Delta 機器人的誕生，不僅驗證了尺度定律在毫米級機器人上的適用性，更展示了 3D 打印技術在精密制造領域的巨大潛力。從技術層面看，這項成果融合了材料科學、機械設計、微納制造等多個領域的前沿技術，為微型機器人的發展提供了新的范式；從應用價值看，它有望解決微操作、微制造等領域的核心痛點，推動相關產業向更小、更精、更快的方向發展。

隨著制造工藝的不斷進步，未來的微型機器人可能會縮小到μm級別，甚至實現 “納米機器人” 的實用化。

▍關于X-robot

X-robot是中關村機器人產業創新中心與機器人大講堂聯手打造的權威性信息發布品牌專欄，集前沿探索、產業研究、知識普及于一體，致力于積極推動新質生產力的生成與發展，助力我國乃至全球機器人行業的蓬勃繁榮。X-robot立足國際化視野，通過全方位、多角度的挖掘與追蹤，生動展現機器人前沿技術與尖端成果，為學術界、產業界及公眾提供一個洞見未來、共享科技的重要窗口。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx3883