2025世界機(jī)器人大會8月8日至12日在北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)北人亦創(chuàng)國際會展中心舉行。本屆大會設(shè)置3天主論壇和31場系列活動，邀請416位國內(nèi)外專家學(xué)者、企業(yè)家、國際機(jī)構(gòu)代表，分享新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用。
        德國奧爾登堡大學(xué)教授謝爾蓋·法蒂科夫以《微機(jī)器人在精密制造與微電子行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用》為主題發(fā)表了演講。

     
       大家上午好！我的研究領(lǐng)域是關(guān)于精準(zhǔn)機(jī)器人和微機(jī)器人，這個(gè)領(lǐng)域想要取得突破并非易事。今天，我將與大家交流微機(jī)器人在精密制造與微電子行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用。

在此，我要特別感謝高教授。高教授提及了精準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人方面存在的局限，而這正是我今日分享的重點(diǎn)內(nèi)容之一。在實(shí)現(xiàn)高位精度時(shí)，機(jī)器人精準(zhǔn)移動以提供服務(wù)極具難度，這也導(dǎo)致其難以適配多種不同場景。另外，在開幕式上，辛國斌先生提到了特殊目的機(jī)器人，這與我今日要講的特殊機(jī)器人不謀而合。這類機(jī)器人可應(yīng)用于探索太空、深海以及其他地形嚴(yán)苛的環(huán)境，其工作規(guī)模能達(dá)到微米甚至納米級。然而，在微米級生產(chǎn)機(jī)器人的研發(fā)過程中，我們面臨著巨大挑戰(zhàn)。由于環(huán)境未知，在35微米這樣的尺度下，我們很難對環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確建模與深入理解，這使得自動化操作在不確定環(huán)境下變得困難重重。

多年前，一位諾貝爾獎得主曾言：“人們開始思索如何操弄納米級別的物質(zhì)。”時(shí)至今日，這依舊是一個(gè)亟待攻克的難題，因?yàn)槠渲刑N(yùn)含的挑戰(zhàn)過于巨大。在未知環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動化操作，無疑是一項(xiàng)極為艱巨的任務(wù)。接下來，我想為大家展示一些實(shí)驗(yàn)室的研究實(shí)例，這些例子均與我們此前開展的納米級自動化研究相關(guān)，且運(yùn)用了機(jī)器人技術(shù)。不過，由于時(shí)間有限，我們無法詳細(xì)闡釋背后的原理，諸多細(xì)節(jié)也難以一一展開。倘若大家感興趣，可以前往我所在的公司以及學(xué)院的網(wǎng)站，獲取更全面的信息。

我深感自豪的是，我所在的學(xué)院衍生出了一家小型創(chuàng)業(yè)公司，專門投身于相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。提及高精度操弄或納米操弄的定義，當(dāng)前有眾多納米級別的操作至關(guān)重要，例如組裝、表征、結(jié)構(gòu)分析、追蹤以及衡量等。所有這些操作，均需借助機(jī)器人技術(shù)，或是涉及運(yùn)用機(jī)器人操作的納米級操控工藝，因?yàn)槌酥猓o其他可行之法來完成這些任務(wù)。

高精度微機(jī)器人作為一項(xiàng)具有核心異稟技術(shù)的納米相關(guān)產(chǎn)業(yè)，蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＯ旅鏋榇蠹曳窒硪粋€(gè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)例。在研究中，我們著重聚焦于電子數(shù)相關(guān)的納米級操作。值得注意的是，納米級的規(guī)模構(gòu)建是由傳感器來實(shí)現(xiàn)的，而非執(zhí)行器，具體是借助機(jī)械臂的延伸操作完成的。舉例來說，當(dāng)材料處于0.1納米的尺度時(shí)，是能夠被精準(zhǔn)移除的。對于眾多應(yīng)用場景而言，在納米級別進(jìn)行操作，唯一可行的選擇往往是將材料置于真空室中進(jìn)行吸取，這也是我們實(shí)驗(yàn)室目前正在開展的工作。通過使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，我們能夠?qū)崿F(xiàn)3納米的分辨率，這在當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)出色。

我們可以將各種不同的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行整合積累。如圖所示，高清晰影像以及微機(jī)器人的高清部署技術(shù)至關(guān)重要，當(dāng)然，這些也是實(shí)現(xiàn)納米級自動化的前提條件。眾所周知，這屬于掃描技術(shù)的范疇，需要一點(diǎn)一點(diǎn)、一線一線地進(jìn)行細(xì)致掃描，隨后將所有獲取的信息進(jìn)行匯總，最終形成完整的成像。此外，我們還發(fā)現(xiàn)了其他可行的方案來克服相關(guān)難題。我們采用兩線掃描技術(shù)來追蹤標(biāo)記，該技術(shù)在自動化領(lǐng)域較為常見。不過，我們針對納米級操作的需求，對這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化與改進(jìn)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，我們將微米顆粒置于特定環(huán)境中。借助工作臺上高精度的顆粒移動觀測系統(tǒng)，掃描機(jī)器能夠敏銳地捕捉到這些微小顆粒。與眾多工業(yè)機(jī)器人相比，該掃描機(jī)器在移動速度上表現(xiàn)極為出色。目前，我們正在開展多個(gè)不同項(xiàng)目，其中高精度特性是當(dāng)下研究的核心要點(diǎn)。基于此，我就不具體提及項(xiàng)目名稱了，畢竟我們圍繞的正是這一領(lǐng)域展開研究。在眾多項(xiàng)目中，我們聚焦于自動化納米操作的高精度機(jī)器人研發(fā)。我們開展此項(xiàng)研究并非單純?yōu)榱税l(fā)表學(xué)術(shù)文章，而是致力于將其真正應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，德國以及歐洲的公司有著迫切需求，因此我們的大部分項(xiàng)目都是由工業(yè)實(shí)際需求所驅(qū)動的。

首先，談?wù)劶{米工具機(jī)器組裝項(xiàng)目。我們使用的原子粒型微徑超尖探針，期望能夠突破當(dāng)前制造表面機(jī)器所面臨的瓶頸。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們會對同一個(gè)樣本進(jìn)行多達(dá)100次的掃描，以此收集相關(guān)數(shù)據(jù)。隨后，利用機(jī)器人對專門設(shè)計(jì)的工具進(jìn)行組裝，使其形成一個(gè)類似杠桿的結(jié)構(gòu)。這在納米技術(shù)領(lǐng)域是廣為人知的做法。我們雖然具備制造高精度表面探針的能力，但掃描該表面卻困難重重，原因在于其結(jié)構(gòu)本身極為深邃且尺寸微小，處于納米結(jié)構(gòu)的底層。正因如此，這是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)，也是我們當(dāng)前項(xiàng)目正在攻克的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在對同一樣本進(jìn)行掃描時(shí)，我們采用相同的納米參數(shù)，且該樣本精準(zhǔn)定位在寬度為1微米的結(jié)構(gòu)的第30納米深度處。這一操作所運(yùn)用的技術(shù)，不僅極為敏感，而且屬于較為成熟、廣為人知的技術(shù)范疇。以橫向敏感膠體探針為例，制造此類探針困難重重。原因在于，它要求探針具備極高的靈活性，針尖必須達(dá)到超高的精準(zhǔn)度，同時(shí)還需具備可組裝特性。所以，我們引入了高精度機(jī)器人。這個(gè)特定項(xiàng)目主要應(yīng)用于FIB（聚焦離子束）材料處理。先利用標(biāo)準(zhǔn)探針移除材料，隨后再進(jìn)行重新組裝，整個(gè)操作所涉及的規(guī)模大致在1000 - 1500納米之間，而精度則可控制在5、6納米的水平。

接下來要介紹的是一項(xiàng)基于電子束顯微鏡與掃描微波顯微鏡的多模態(tài)顯微技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3D成像、微波成像以及第三種模態(tài)（可根據(jù)實(shí)際情況明確）的三模態(tài)顯微鏡同步數(shù)據(jù)采集。它采用了掃描電鏡與光學(xué)相機(jī)實(shí)時(shí)圖像同步采集的方式，通過掃描電鏡、主控計(jì)算機(jī)以及射頻端口，對掃描電鏡進(jìn)行有序的展排操作。在此過程中，設(shè)置了一個(gè)用于放置掃描目標(biāo)的裝置，如此一來，便能夠從單一設(shè)備中獲取更為豐富的信息。在納米研究階段，這種技術(shù)優(yōu)勢顯著，不僅效果出色，而且成本相對較低。不同設(shè)備所采集到的信息應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)無縫對接，這一點(diǎn)至關(guān)重要。只有實(shí)現(xiàn)信息對接，在最終進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理時(shí)，數(shù)據(jù)才能達(dá)到協(xié)同、通用的效果。這實(shí)際上是掃描電鏡內(nèi)集成的一項(xiàng)創(chuàng)新應(yīng)用，它運(yùn)用了微納米點(diǎn)技術(shù)，其精度可達(dá)4納米。在顯微鏡的實(shí)際顯示畫面中，能夠清晰地看到微電容、懸梁臂以及探針之間的結(jié)構(gòu)，在顯微鏡的尺度下，這些結(jié)構(gòu)的尺寸可達(dá)到1 - 10納米，甚至還能看到相應(yīng)的截?cái)嗝妗Ｔ摷夹g(shù)還有另一項(xiàng)重要應(yīng)用，即應(yīng)用于氧化物組變存儲器。基于二氧化碳的存儲器件，利用掃描微波顯微鏡，可在目標(biāo)應(yīng)用頻段實(shí)現(xiàn)對納米電子器件的精準(zhǔn)表征，掃描微波的模式也清晰可見。因此，通過微波顯微鏡能夠觀察到邏輯態(tài)的變化情況。下面要介紹的是納米級高頻微波接觸探測技術(shù)，這無疑是一個(gè)極佳的展示案例。此外，針對探針定位如何對準(zhǔn)偏差以及偏差所產(chǎn)生的影響，我們在40GHZ的頻率下進(jìn)行了模擬分析，模擬對象涵蓋了開路結(jié)構(gòu)和短路結(jié)構(gòu)。

在這里，我們持續(xù)推進(jìn)基于高精度機(jī)器人與掃描電子顯微鏡成像的自動化探測工作，此項(xiàng)目是與德國一家兄弟研究單位攜手開展的，經(jīng)過雙方努力，探測的重復(fù)性得到了顯著增強(qiáng)。我們首先借助掃描電子顯微鏡獲取圖像，隨后運(yùn)用自動化的圖像模式進(jìn)行處理。該系統(tǒng)具備自動對焦功能，且采用開放式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為后續(xù)操作提供了便利與靈活性。

接下來介紹一下納米顆粒隧道節(jié)點(diǎn)阻（NTR）應(yīng)變傳感器設(shè)備。這是一種由德國某公司制造的特殊材料，深入了解其性能表現(xiàn)十分必要。這種材料的優(yōu)勢在于，納米顆粒隧道節(jié)點(diǎn)阻材料兼具金屬導(dǎo)電特性，例如其微觀結(jié)構(gòu)中包含箔以及嵌入非晶碳晶體中的部分。基于電子數(shù)誘導(dǎo)的沉積原理，當(dāng)材料受到拉伸時(shí)，在掃描電子顯微鏡的觀察下，其內(nèi)部的量子效應(yīng)會導(dǎo)致電阻增加。利用這一特性，我們可以實(shí)現(xiàn)任意形狀、任意位置以及任意表面的加工。內(nèi)緣位置感應(yīng)傳感器中的納米隧道電阻應(yīng)變傳感器能夠隨之發(fā)生變化，前驅(qū)體機(jī)體可在旁邊注入到換能器中，例如注入到壓力膜面上。目前，掃描電鏡內(nèi)置的原子粒、顯微鏡相關(guān)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。在此過程中，自動化操作必不可少，尤其針對納米隧道的通道。通過自動化技術(shù)，我們可以直觀地看到設(shè)備的工作結(jié)果。機(jī)器人必須進(jìn)行實(shí)時(shí)的有形算法計(jì)算，以此對比相關(guān)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)預(yù)測所需的納米量，進(jìn)而借助高精度衛(wèi)星機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動漂移與校正。確定物料處于正確位置至關(guān)重要，因?yàn)楸仨毚_保接觸狀態(tài)極其穩(wěn)定，所以靜電極以及中間傳感器的位置都必須完全準(zhǔn)確無誤。

我們采用了一個(gè)封閉艙體，艙體內(nèi)設(shè)有壓柄膜，膜上構(gòu)建了一條長達(dá)一米的隧道電阻。借助該裝置，我們能夠從傳感器中精準(zhǔn)獲取信號，其效果十分顯著。基于此，我們成功實(shí)現(xiàn)了全自動化工藝，完整電橋每7秒的測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，且器械與電子電學(xué)性能的偏差控制在小于10%的范圍內(nèi)。我們期望這項(xiàng)技術(shù)能夠在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，預(yù)計(jì)在幾年內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)成批量的商業(yè)化生產(chǎn)。

接下來，介紹本次分享的最后一個(gè)主題——真空中液態(tài)微滴的高壓操控。表面濕潤性能可通過液滴與表面之間的接觸角這一定量指標(biāo)來進(jìn)行描述，這是一種用于表征液體表面能的實(shí)驗(yàn)方法。在某些特定情況下，該方法還可用于表征體表面能的相關(guān)特性。我們通過掃描電子顯微鏡成像來測定接觸角，以此對基底進(jìn)行評估。由于此次研究聚焦于液態(tài)金屬與基底之間的濕潤性能，我們特別選用了45度傾斜的樣品臺，并將樣品表面定位為與電子束相垂直，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

對于非理想表面而言，接觸角往往會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。在此情形下，唯有通過測量前進(jìn)接觸角與后退接觸角，并基于這些測量值計(jì)算出平衡接觸角，才能夠較為準(zhǔn)確地估算出固體與液體之間的黏附性。在本研究中，我們并未采用硅作為實(shí)驗(yàn)材料，而是選用了液態(tài)材料作為替代方案，并運(yùn)用了高度變化法。該方法最終應(yīng)用于對疏水平面上水的相關(guān)研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，液體的體積始終保持恒定，通過改變基底的高度，彎月面的形狀以及接觸角均會隨之發(fā)生變化。我們將液態(tài)金屬液滴固定在末端執(zhí)行器上，通過這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)液態(tài)金屬與待測基底的接觸與分離，進(jìn)而完成對黏附性的評估。

在進(jìn)行接觸角測試時(shí)，我們選用了十微米不同尺寸的液滴，并將其放置在不銹鋼的不同表面上。如此一來，便能夠清晰地觀察到接觸角存在的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，平臺上的接觸角小于粗糙表面上的接觸角。當(dāng)超速度進(jìn)一步增大時(shí)，接觸角可增大至接近180度。該方法的顯著優(yōu)勢在于，水的彎月面以及氧化層均不會對接觸角的測量產(chǎn)生干擾。

我由衷地感謝團(tuán)隊(duì)里的每一位成員，一直以來，大家都堅(jiān)守在我的實(shí)驗(yàn)室。幾年前，我們發(fā)起了一場意義非凡的會議，旨在為微物體應(yīng)用領(lǐng)域搭建一個(gè)交流與宣傳的平臺，推動該領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。令人欣喜的是，明年我們將首次把這場活動帶到中國舉辦，由杭州的浙江大學(xué)主辦。倘若大家感興趣，我們誠摯地歡迎您參加。

非常感謝主辦方給予我這次分享機(jī)會。當(dāng)前，我們的機(jī)器人在發(fā)展過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，亟待大家齊心協(xié)力、共同攻克。我們不僅要推動機(jī)器人在現(xiàn)有領(lǐng)域的應(yīng)用，更要不斷開拓創(chuàng)新，挖掘更多潛在的應(yīng)用場景。在這個(gè)過程中，人的主觀能動性起著決定性作用，我們需要發(fā)揮智慧、主導(dǎo)方向；而機(jī)器的發(fā)展則能夠極大地提升我們的生活質(zhì)量，為我們的生活帶來更多便利與可能。

再次衷心感謝大家！