第二届上海大学十大学术进展候选项目简介

（申报编号：XSJZ-202224)

一、学术进展名称及负责人：

柔性机器人与微纳操作

田应仲（上海大学机电工程与自动化学院教授

二、项目背景：

《国家中长期科学和技术发展规划纲要》提出，以科技发展的局部跃升带动生产力的跨越发展，重点发展军民融合、保障国家安全和增强综合国力的重大战略。柔性机器人与高精度微纳操作是航空航天、通信设备等国家重大需求领域的核心技术，是制约尖端装备检修及先进制造的卡脖子问题，具有极为重要的经济与社会意义。强动态干扰下，柔性机器人对多样化目标的精密作业面临“运动模式单一”、“负载能力有限”、“感知精度不足”的难题。对于微纳操作而言，目前主要存在 “纳米精度难实现”、“传动行程难保证”、“操控器件难构建”的挑战。综上，需突破柔性机器人智能感知与精密作业、高精度多维微纳操作关键技术，支撑在尖端装备检修及先进制造等领域实现多尺度“驱动精”、“传动准”和“操控顺”。

三、学术进展及创新点：

经多年技术攻关，研究团队在柔性机器人与微纳操作上取得国际先进的科研成果，主要创新点如下：

1.发明了柔性机器人变胞设计与多功能重构方法。提出基于折纸结构三维映射的形变调控机理，实现几何一致执行器多样化运动，结合榫卯结构和磁吸式原理，实现面向不同操作场景的多功能重构，极大提升操作灵活度；发明了多驱动协同刚度高效调节与适应性形变控制。提出基于聚乳酸热相变的刚度调整策略，基于气液混合热交互框架，变刚度效率提升90%，采用差异化目标随形操作机制，非敏感目标操作时间降低90%，有效解决机器人末端刚度不足的问题；发明了多模态信息融合自驱动感知方法。提出基于摩擦电原理的柔性滑/触觉和形态传感器，突破基于机器学习的多模态信息融合感知方法，有效避免传感器形-触耦合效应导致的感知偏差，操作目标预测准确率达98.1%

2.发明了多维精密平台动态迟滞补偿与协同控制技术。基于唯象模型的非对称迟滞表征与补偿方法，实现多维精密平台的迟滞交叉解耦，使动态迟滞的辨识误差均方根值降低11.28%，耦合位移误差减小4倍以上；发明了多维大行程柔顺传动机构创成设计方法。提出拓扑优化法与伪刚体法结合的多自由度柔顺机构设计理论，建立基于卡氏第二定理与弹性梁理论的柔顺机构运动模型，实现0.19um和0.37urad直线/转角定位精度；发明了原位非接触微纳器件快速构建技术。提出了基于光镊和光成形的原位微成形技术，建立基于不同表面特性的微纳操作器非接触组装操控方法，实现末端操作器件5um/1um的特征尺寸和成形误差，操控和成形时间均小于0.2s。

图1 强动态干扰下智能感知与精密作业技术

图2 高精度多维微纳定位及操控技术

四、研究成果及应用情况、学术及社会影响：

相关研究取得大量前沿原创性成果并打破国外技术垄断，发表包含Nature子刊高水平论文36篇，授权发明专利32项，参与制订国家标准4项。

1. 代表性成果（论著、专利及获奖）

（1）中科院一区TOP论文：Nature Communications(2020年10月、2022年2月)、Nano Energy(2021年9月)、IEEE Transactions on Robotics(2021年8月)、Advanced Science(2021年11月)、Soft Robotics(2021年12月)、Mechanism and Machine Theory(2022年7月)等。

（2）中国国家发明专利5项：ZL202110632036.1、ZL202010710239.3、ZL201810527252.8、ZL201810527230.1、ZL202011567593.1等。

2. 学术及社会影响

光耦合自动化组装设备核心指标达国际同等水平，光通信产品获得思科wiggle 认证，北美GR326 认证，产品供应 Broadcom、Intel、Molex、波若威等全球TOP 10光模块厂家；产品和技术成功应用于嫦娥系列月球车光谱仪定标板的控制、高精度对地遥感卫星指向平台、中国商发CJ1000A 大飞机发动机叶片精密铸造模具、芯片射频倒封装工艺 CP 测试等，有力支撑了通信设备、航空航天等国家重大需求，近三年新增经济效益3.05亿元。