《Sensors and Actuators A: Physical》：Sea Lion Gait-Inspired Biped Magnetic Microrobot for Interface Micromanipulation
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微磁操纵机器人基于海狮站立步态设计，揭示双足交替触地运动机制并建立动力学模型，实现非接触操控光刻胶微结构，填补仿生磁微机器人理论空白。
滕申|林婷婷|陈泽彪|李兆邦|刘子腾|陈子东|董超伟|陈璐|任建波|常家庆|陈超湛
广州大学机电工程学院
摘要
微操纵技术在微制造领域至关重要。由于非接触式操作、快速响应以及无需线缆的优点，磁性微机器人成为实现精确界面微操纵的有效手段。受海狮站立和行走特性的启发，我们定义了一种“海狮站立步态”，并设计了一种新型的双足磁性微机器人，同时揭示了其运动机制，并建立了运动学和动力学模型。该微机器人能够在具有不同摩擦系数的固体表面上执行复杂任务，包括攀爬和跨越障碍物。以利用飞秒激光制造的微结构进行传输和转移为例，该微机器人展现了出色的微操纵能力。本研究提出的界面运动策略和微操纵方法填补了双足交替式磁性微机器人在紧密贴合界面时的运动理论空白，为粘弹性微/纳米结构制造领域提供了重要参考。
引言
微/纳米尺度界面操纵是精密制造和生物医学工程中的核心挑战，尤其是在非破坏性处理粘弹性材料（如光刻胶微结构）方面。传统的接触工具（如机械探针[1]、[2]、[3]和微夹具[4]、[5]、[6]）容易造成结构损伤，而非接触工具（如光镊[7]、[8]、[9]和声镊[10]、[11]、[12]）则受到材料特性和能量耗散的限制。磁性驱动的微机器人因其非接触式操作和无线操纵优势而成为一种新的解决方案[13]、[14]、[15]、[16]。然而，现有的微操纵机器人系统（如花瓣形夹具[17]、[18]、[19]、[20]、模块化微机器人[21]、[22]、[23]、[24]以及毫米级四足机器人[26]、[27]、[28]）存在稳定性低、操纵范围有限和适用环境受限的问题。最近，受生物启发的软体机器人在复杂环境（包括胃模型和湿润表面[29]、[30]）中的适应性得到了提升。为应对这些挑战，开发出能够提供连续稳定界面压力并具备强大运动性能的微机器人至关重要。
目前磁性驱动微机器人的运动模式主要包括滚动[31]、[32]、[33]、[34]、跳跃[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、爬行[40]、[41]、[42]、[43]和行走[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]。滚动运动无法推动界面物体，跳跃方法难以保持稳定的推力，而爬行和多足行走模式则无法灵活地操纵物体。相比之下，双足磁性驱动微机器人因其高运动稳定性、强大的环境适应性和协调地面接触能力而展现出独特潜力[50]、[51]。然而，现有研究仍局限于交替单足接触模式[52]、[53]，双足协调地面接触的动态机制尚未被突破。
为解决这一关键问题，本研究提出了一种“海狮站立步态”运动模式。通过设计对称的双足结构并建立运动姿态模型，我们揭示了双足地面接触的运动机制。实验结果表明，该微机器人能够在各种环境中实现稳定的坡度攀爬、跨越障碍物和适应性运动。基于运动性能测试和对双足地面接触机制的分析，我们成功开发了一种非破坏性的操纵方法，用于350×100×100 μm的光刻胶微结构，操作误差低于100 μm，在连续30次实验中的成功率为93.3%，为粘弹性界面的精确操纵提供了创新解决方案。
微机器人的设计与制造
在海狮的站立和行走过程中，两只脚始终紧密贴地，后脚之间有微小间隙。这一特性常用于群体表演，例如推球。受海狮站立步态的启发，并基于仿生原理，设计了一种微机器人结构。为确保微机器人的运动稳定性，该结构采用椭圆形设计，并通过3D建模确定重心位置
结论
本研究提出了一种由空间振荡磁场驱动的双足微机器人的创新控制方法，通过新颖的“海狮站立步态”模型实现连续的地面粘附运动。基于动力学模型和实验结果的定量分析表明，当磁场频率低于4赫兹（Hz）且基底摩擦系数小于0.3时，系统能够保持稳定的双足地面粘附。当摩擦系数超过
作者贡献声明
董超伟：可视化、验证。陈泽彪：验证、方法论、数据整理。李兆邦：可视化、验证。刘子腾：软件开发。陈子东：可视化、验证。常家庆：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。陈超湛：撰写 – 审稿与编辑、方法论。滕申：撰写 – 原稿撰写、方法论、资金获取。林婷婷：撰写 – 原稿撰写、数据整理。陈璐：可视化、验证。任建波：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52005116）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2023A1515011791）、广州市科技计划项目（项目编号SL2024A03J00589）、广东省普通高校特色创新项目（项目编号2023KTSCX100）和广州大学研究生创新能力培养项目的支持。
滕申于2017年在中国南京工业大学获得机械工程博士学位。他目前是广州大学机电工程学院的教授，研究方向包括微机器人技术和微流控技术。
