「獨角仙」微型機器人：極端環境下的精密操作專家

工程師們最近研發出一款輕巧、無線且能獨立運作的微型機器人，名為「全向甲蟲3號」（Holonomic Beetle 3，簡稱HB-3）。這款機器人靈感來自獨角仙的運動方式和身體結構，結合了壓電致動器與自主技術，能夠在極端環境下進行超高精度的微尺度操作，突破了以往機器人技術的限制。

HB-3的誕生滿足了多個產業的需求，包括實驗室自動化、醫療程式和科學研究等領域。這些領域往往需要在人類無法進入或受限的環境中進行精密操作，例如奈米材料與細胞操作，以及晶片元件的組裝。特別是在真空、潔淨、無風和生物安全艙等特殊環境中，HB-3的應用顯得尤為重要。

這款機器人的設計與功能已於1月26日發表在《先進智慧系統》期刊上。近年來，無線自主機器人已在多個工業領域、災難現場、醫療領域以及極端或狹小環境中獲得實際應用。與此同時，各類裝置的內部電子元件也持續微型化，包括僅有幾微米厚的微型電池和微型超級電容器的開發。

然而，傳統的定位裝置相較於這些微小零件仍顯得笨重且龐大，因此在能源和空間效率方面仍有很大的改進空間。即使驅動電路和電池已變得非常微小，其操作範圍和自由度仍然受到高度限制。

為瞭解決這些問題，工程師們開發了多種精密緻動器，這些致動器可視為機器人的「肌肉」，能夠將電能、液壓或氣壓轉化為運動。其中，壓電致動器展現了巨大的潛力。壓電材料（如石英手錶中的石英或PZT合成陶瓷）在受到機械應力時會產生電荷，反之，在施加電場時也會變形。這種特性使得壓電致動器能夠在奈米尺度上進行極其精細的運動。

儘管已有許多微型機器人和夾具被開發出來，但直到現在，仍未有能夠整合壓電致動技術、具備自主性且無線連線的移動微操作器，並能適應實際應用的需求。HB-3的核心設計在於其緊湊且輕量的結構，重量僅515克，體積僅10立方公分。其整合的驅動電路使用單板電腦，解決了團隊先前研究中因電源線帶來的問題。此外，HB-3還配備了內建相機，並利用機器學習演算法進行任務操作，能夠即時調整其運動，這是以往微操作器所不具備的功能。

在嚴格的測試中，HB-3在狹小且隔離的環境中展現了卓越的效能，能夠使用不同工具完成多種任務，例如用精密鑷子夾取和放置晶片零件，或使用注射器施加微小液滴。其平均定位精度在x軸上僅為0.08毫米，在y軸上為0.16毫米，任務成功率達87%。這些工具還能根據需求靈活轉換為測量探針、焊接鐵、螺絲起子等精密儀器，適用於從米到奈米的多種尺度。

「我們成功突破了微型化的界限，創造出一款真正自主且無線的裝置，能夠在狹窄且危險的空間中運作，」橫濱國立大學工程學院的副教授Ohmi Fuchiwaki表示，「HB-3不僅能處理複雜任務，還能以無與倫比的精度完成這些任務。」

然而，團隊仍希望進一步最佳化這款小甲蟲。他們認為，HB-3的處理速度（依賴於Raspberry Pi CPU）還有提升空間，並且可以透過將物體檢測任務轉移到外部高效能電腦來縮短檢測時間。未來，研究人員還計劃提高其速度和精度，並探索整合內部側視和頂視相機，以改善z軸的定位精度。