CN113232736B - 一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，包括至少三层贴合的薄膜；其中下层薄膜和上层薄膜分布均包括形状记忆合金薄膜区域和导电的应力材料薄膜区域；中层薄膜为绝缘的非金属薄膜；形状记忆合金与应力材料的热膨胀系数不同；下层薄膜和上层薄膜不同材料薄膜区域对应叠放，且形成具有频率选择性的电容‑电感谐振电路。本发明提出的微型爬行机器人基于形状记忆合金薄膜，退火无需模具，在射频磁场中能够自主进行驱动，集结构、无线能源接收和驱动变形于一体；可进行小尺寸批量化制造，生产成本低，能够广泛用于介入医疗、侦察监测和精密维修等领域。

Description

一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人

技术领域

本发明属于微型机器人研究领域，具体涉及一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人。

背景技术

微型爬行机器人凭借其尺寸小，隐蔽性强，高度的渗透性以及卓越的精确度，能够代替人类到达狭窄的空间、地下、水下以及人体内等区域进行精细化作业，因而在军事侦察、航空航天、医疗、工业以及其他民用方面展现出不可比拟的优势，具有广泛而深远的应用价值。微型爬行机器人具有径向尺寸小，结构简单，运动可靠，隐蔽性强等诸多优点，有助于军事侦察任务及灾后重建，降低介入式医疗实施的复杂性和医疗器械成本，并提高此类手术的精确性和普及性，提高微小管道内维修的精度和效率，因此具有重要的军民应用价值，得到了研究者们的广泛关注。

作为微型爬行机器人的技术核心，微型驱动技术决定了微型爬行机器人的尺寸和性能。目前微型爬行机器人的主要驱动方式有：静电驱动，压电陶瓷驱动，电磁驱动，热驱动，气动驱动以及形状记忆合金驱动。气动驱动的微型爬行机器人尺寸大，运动速度很慢；电磁驱动的微型爬行机器人结构复杂，对激励条件要求很高；静电驱动的爬行机器人驱动力小、负载能力差；压电陶瓷驱动的爬行机器人工作电压高、驱动行程小。以上各种驱动方式的爬行机器人均具有显著缺点，目前的实际应用受限。相比于上述驱动方式，形状记忆合金驱动具有高能量密度，强驱动力，大致动距离，优良的生物相容性等优越性能，成为了目前微型爬行机器人的优选驱动方式之一。然而，传统形状记忆合金往往具有响应频率慢的普遍问题，制约了形状记忆合金材料的发展。为解决该问题，基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术所提出的形状记忆合金薄膜应运而生，由于其具有更大的表面积-体积比，因此散热更快，响应频率更高，但由此引入了微观尺度下难以制造形状记忆合金薄膜退火模具的问题。

另一方面，随着微型机器人尺寸的减小，能源与控制问题成为了限制其进一步发展的瓶颈。有线能源供给极大地束缚了微型机器人的运动能力，而微型电池的能量密度普遍较低，续航短，同时限制了机器人尺寸和重量的进一步减小。近年来采用射频无线传感、激光驱动、磁驱动等外部条件激励微型智能机器人进行能源供给和控制的研究方案使微型机器人摆脱了有线束缚，扩展了应用场景。由于形状记忆合金直接依靠温度变化产生驱动，因此利用射频无线传感激励或激光驱动光伏电池，通过焦耳效应改变形状记忆合金温度进行驱动控制是极具潜力的无线能源供给方案。其中射频无线传感所需的外部激励条件易实现，同时对微型智能机器人结构设计所提出的要求更加宽松，成为了以形状记忆合金作为驱动方式的微型智能机器人优选无线能源供给方案之一。如何将射频无线传感应用于形状记忆合金薄膜驱动微型爬行机器人，同时满足MEMS制造工艺要求，以尽可能简化微型智能机器人结构、减小尺寸并降低生产成本，同时解决形状记忆合金薄膜退火问题，是一项极具挑战性的任务。

发明内容

针对目前微型机器人在小尺寸下的能源、控制和制造等问题，以及基于形状记忆合金驱动的微型机器人所具有的响应频率低、运动速度慢等问题，本发明提出一种基于形状记忆合金薄膜，退火无需模具，在射频磁场中能够自主进行驱动，集结构、无线能源接收和驱动变形于一体，可快速爬行的微型爬行机器人。机器人结构方案与MEMS工艺匹配，因此可进行小尺寸批量化制造，生产成本低，从而能够广泛用于介入医疗、侦察监测和精密维修等领域。

本发明的技术方案为：

所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，包括至少三层贴合的薄膜；

其中上层薄膜与下层薄膜均分别包括形状记忆合金薄膜区域和导电的应力材料薄膜区域，且形状记忆合金薄膜区域与导电的应力材料薄膜区域沿微型爬行机器人爬行方向依次分布；所述形状记忆合金与所述应力材料的热膨胀系数不同；中层薄膜为绝缘薄膜；

上层薄膜中的导电的应力材料薄膜区域与下层薄膜中的形状记忆合金薄膜区域位置对应叠放，上层薄膜中的形状记忆合金薄膜区域与下层薄膜中的导电的应力材料薄膜区域位置对应叠放；

这里定义一组叠放结构由一层形状记忆合金薄膜、一层绝缘薄膜和一层导电的应力材料薄膜组成；所述微型爬行机器人包括至少两组叠放结构，且相邻两组叠放结构的三层薄膜材料叠放顺序相反；

至少一组叠放结构中的一侧形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜采用平面电容极板加平面电感布局，且平面电感的一端与平面电容极板相连，平面电感的另一端穿过绝缘薄膜，与叠放结构中的另一侧薄膜连通，形成具有频率选择性的电容-电感谐振电路。

本领域技术人员通过上述的技术特征可以毫无疑义确定，上下叠放的形状记忆合金薄膜与导电的应力材料薄膜的热膨胀系数不同，上层薄膜以及下层薄膜中，同一层薄膜具有两种不同热膨胀系数的材料，这样通过热膨胀系数差异导致的变形能够使微型机器人从平面变为波浪形。

当所述微型爬行机器人包括多组叠放结构时，相邻两组叠放结构中同处于上层或下层的薄膜不能同为形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜，而应当交替布置，即相邻两组叠放结构的三层薄膜材料叠放顺序相反。

本领域技术人员通过上述的技术特征可以毫无疑义确定，采用平面电容极板加平面电感布局的形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜中，平面电感作为频率选择性的电容-电感谐振电路的电感部分，平面电容极板与绝缘薄膜以及另一侧薄膜组成平板电容器，绝缘薄膜作为平板电容器的绝缘电介质，得到频率选择性的电容-电感谐振电路的电容部分。

进一步的，所述微型爬行机器人具有平面以及三维波浪两种模态；两种模态下，所述谐振电路的固有频率不同。

进一步的，所述平面电感采用平面螺旋结构。

进一步的，所述平面电感采用矩形平面螺旋结构，且矩形平面螺旋结构的长边沿微型爬行机器人爬行方向。在同等匝数及线宽条件下，矩形平面螺旋相比于圆形、多边形螺旋等，具有更大的电感值；而且长边沿微型爬行机器人爬行方向，以保证热膨胀系数差异所导致的弯曲是沿着微型爬行机器人的体长方向。

谐振电路的固有频率

L为平面矩形螺旋线圈的电感值，C为平板电容器的电容值。

进一步的，当有N组叠放结构的一侧形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜采用平面电容极板加平面电感布局时，N≥2，则该N组叠放结构均分别形成一个频率选择性的谐振电路，且当所述微型爬行机器人处于平面模态时，N个谐振电路的固有频率相同。

此时，优选两组位置对应的形状记忆合金薄膜区域及导电的应力材料薄膜区域的面积相同，由于同一组位置对应的形状记忆合金薄膜区域与导电的应力材料薄膜区域的面积本来就是相同的，所以这里两组位置对应的形状记忆合金薄膜区域及导电的应力材料薄膜区域的面积相同，可以看作同一层中，形状记忆合金薄膜区域与导电的应力材料薄膜区域面积相同。

通过设计使两个谐振电路具有相同的电感值、电容值，则当所述微型爬行机器人处于平面模态时，两个谐振电路的固有频率相同，以便在单一频率的射频磁场下进行自驱动。

进一步的，所述微型爬行机器人包括两组叠放结构，只有一组叠放结构的一侧形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜采用平面电容极板加平面电感布局，且该组叠放结构面积大于另一组叠放结构面积；并且两组叠放结构中处于同一层的薄膜直接连接，两组叠放结构共同形成一个谐振电路。

进一步的，对于一组叠放结构，若其中一侧形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜采用平面电容极板加平面电感布局，则中间的绝缘薄膜采用与所述平面螺旋结构形状相同的平面螺旋绝缘结构，而另一侧薄膜采用能够支撑所述平面螺旋结构和平面螺旋绝缘结构的栅格结构。通过这样的设计，能够减小结构质量，增加变形能力和散热速率。

进一步的，所述形状记忆合金采用镍钛合金或铜基合金；所述导电的应力材料采用括金、银、铂、铝或其合金材料；所述中层薄膜采用硅或二氧化硅材质。

一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：按照所述微型爬行机器人的三层贴合薄膜的设计要求，成形三层贴合薄膜，得到平面模态下的微型爬行机器人；

步骤2：在真空高温环境对微型爬行机器人进行退火训练，由于所述形状记忆合金和应力材料的热膨胀系数间存在差异，因此高温下，微型爬行机器人从平面模态转变为三维波浪模态，并被形状记忆合金记忆。

可以看出，本发明退火过程中不需要模具。而电容-电感谐振电路的电容值和电感值均会因结构的构型改变而发生变化，因此微型爬行机器人的固有频率会在波浪形三维状态下与平面状态时产生差异。

一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：在常温下，所述微型爬行机器人处于平面模态，将其置于射频磁场中，射频磁场的频率为所述微型爬行机器人处于平面模态时，所述谐振电路的固有频率；

步骤2：根据法拉第电磁感应定律，所述微型爬行机器人通过电磁感应从射频磁场中获得电能，并转化为热能，当所述微型爬行机器人结构温度升高至超过形状记忆合金的相变温度时，形状记忆效应促使微型爬行机器人自动收缩为所记忆的波浪形三维结构，并产生相应的驱动位移，所述微型爬行机器人转变为三维波浪模态；

步骤3：所述微型爬行机器人转变为三维波浪模态后，所述谐振电路的固有频率与射频磁场的频率解耦；通过自然散热，当所述微型爬行机器人结构温度降低至低于形状记忆合金的相变温度时，形状记忆效应消失，所述应力材料的回复应力促使所述微型爬行机器人恢复至平面模态，完成一个运动周期。

恢复至二维平面状态的微型爬行机器人则会再次自动与外部磁场产生电磁感应，不断重复上述过程，产生持续的爬行运动。在上述过程中，微型爬行机器人对结构温度和形状能够自主进行负反馈控制，从而在无需任何控制元件和控制信号的情况下，智能实现自驱动和持续性爬行运动

有益效果

本发明的有益效果是：提出了一种全新的结构、无线能源接收和驱动变形一体化，并且能够自主地进行负反馈控制运动的自驱动微型爬行机器人。所提出的微型爬行机器人结构设计简单巧妙，采用具有大表面积-体积比的形状记忆合金薄膜驱动，散热速率快，因此响应频率高，爬行速度快，且退火无需模具。所提出的微型爬行机器人能够通过电磁感应自主运动，无需控制信号。微型爬行机器人的平面化结构设计符合MEMS工艺要求，因此机器人尺寸可达毫米级至微米级，同时可进行高精度批量化制造，生产成本低。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。

需要特别说明的是，为了使微型爬行机器人结构中的各薄膜层在图示中容易区分，图1和图6中各层薄膜厚度均放大到了各图比例尺下实际厚度的40倍，其中：

图1为微型爬行机器人二维平面状态结构示意图；

图2为下层薄膜的俯视轮廓图；

图3为中层薄膜的俯视轮廓图；

图4为上层薄膜的俯视轮廓图；

图5为微型爬行机器人二维平面状态下结构中的电容-电感谐振电路图；

图6为高温退火或温度高于形状记忆合金相变温度时微型爬行机器人波浪形三维状态结构示意图；

图7为微型爬行机器人三维波浪状态下结构中的电容-电感谐振电路图；

图8为实施例2中下层薄膜的俯视轮廓图；

图9为实施例2中中层薄膜的俯视轮廓图；

图10为实施例2中微型爬行机器人二维平面状态下结构中的电容-电感谐振电路图；

图11为实施例2中微型爬行机器人三维波浪状态下结构中的电容-电感谐振电路图。

图12为实施例3中微型爬行机器人二维平面状态结构示意图；

图13为实施例3下层薄膜的俯视轮廓图；

图14为实施例3中层薄膜的俯视轮廓图；

图15为实施例3上层薄膜的俯视轮廓图；

图16为实施例3微型爬行机器人二维平面状态下结构中的电容-电感谐振电路图；

图17为实施例3高温退火或温度高于形状记忆合金相变温度时微型爬行机器人一端翘起的拱形三维状态结构示意图；

图18为实施例3微型爬行机器人一端翘起的拱形三维状态下结构中的电容-电感谐振电路图；

图中：1、第一下层薄膜；11、第一下层薄膜栅格区；111、第一下层薄膜纵向支撑条；112、第一下层薄膜横向支撑条；12、第一下层薄膜电容极板区；2、第二下层薄膜；21、第二下层薄膜栅格区；211、第二下层薄膜纵向支撑条；212、第二下层薄膜横向支撑条；22、第二下层薄膜电容极板区；3、中层薄膜；31、第一小孔；32、第二小孔；33、第一线圈状绝缘层；331、第一线圈状绝缘层的一个末端；332、第一线圈状绝缘层的另一个末端；34、电容电介质区；35、第二线圈状绝缘层；351、第二线圈状绝缘层的一个末端；352、第二线圈状绝缘层的另一个末端；4、第一上层薄膜；41、第一平面矩形螺旋线圈；411、第一平面矩形螺旋线圈的一个末端；412、第一平面螺旋线圈的另一个末端；42、第一上层薄膜电容极板区；5、第二上层薄膜；51、第二平面矩形螺旋线圈；511、第二平面矩形螺旋线圈的一个末端；512、第二平面螺旋线圈的另一个末端；52、第二上层薄膜电容极板区。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：

本实施例中的微型爬行机器人具有两组叠放结构，两组叠放结构分别形成具有频率选择性的电容-电感谐振电路。

如图1所示为微型爬行机器人制造完成后的二维平面状态，由三层薄膜构成，可划分为5个区域。在该实施例中第一下层薄膜1应力材料为铝，第二下层薄膜2形状记忆合金材料为镍钛合金，中层薄膜3绝缘材料为硅，第一上层薄膜4形状记忆合金材料为镍钛合金，第二上层薄膜5应力材料为铝。上述三种材料间的热膨胀系数关系为：

α_Al>α_NiTi＞＞α_Si

其中α_Al、α_NiTi和α_Si分别为铝、镍钛合金和硅的热膨胀系数。

如图2所示，第一下层薄膜1和第二下层薄膜2为形状大小完全相同的400μm×970μm矩形薄膜，厚度为0.5μm，采用电子束蒸镀技术分别成型，并在矩形的短边处直接相接。

如图3所示，中层薄膜3的外轮廓为400μm×1940μm的矩形，即第一下层薄膜1和第二下层薄膜2形状的并集，厚度为0.2μm，通过磁溅射镀膜技术成型于第一下层薄膜1和第二下层薄膜2上表面，将其完全覆盖，并在两侧各有两个60μm×60μm的第一小孔31和第二小孔32。

如图4所示，第一上层薄膜4和第二上层薄膜5形状完全相同，厚度为0.5μm。以第一上层薄膜4为例，由5匝第一平面矩形螺旋线圈41和400μm×245μm的电容极板42构成，第一平面矩形螺旋线圈41的一个末端411与电容极板42连接，另一个末端412处于中层薄膜3的第一小孔31上，通过第一小孔31直接与第一下层薄膜1连接，第一上层薄膜4和第二上层薄膜5采用电子束蒸镀技术分别成型于中层薄膜3的上表面。

如图5所示，平面状态下的微型爬行机器人结构形成了两个电容-电感谐振电路，其中第一上层薄膜4的第一平面矩形螺旋线圈41和第二上层薄膜5的平面矩形螺旋线圈51具有相同的电感L；第一上层薄膜4的电容极板42、第一下层薄膜1和中层薄膜3构成的平板电容，以及第二上层薄膜5的电容极板52、中层薄膜3、第二下层薄膜2构成的平板电容具有相同的电容值C，因此此时所形成的两个平面LC谐振电路具有由公式

可确定的相同的固有频率f，其中L为平面矩形螺旋线圈的电感值，C为平板电容的电容值。

如图6所示，对微型爬行机器人在真空高温下进行退火训练时，第一下层薄膜1的热膨胀系数大于第一上层薄膜4的热膨胀系数，且均远大于中层薄膜3的热膨胀系数，因此温度差异导致的热应力将使得这部分结构向上弯曲为拱形；第二下层薄膜2的热膨胀系数小于第二上层薄膜5的热膨胀系数，且均远大于中层薄膜3的热膨胀系数，因此温度差异导致的热应力将使得这部分结构向下弯曲为拱形，微型爬行机器人自动变形为波浪形三维结构，并由第二下层薄膜2和第一上层薄膜4的镍钛合金薄膜记忆该形状，退火无需模具。

如图7所示，在该三维状态下，第一上层薄膜4的第一平面矩形螺旋线圈41和第二上层薄膜5平面矩形螺旋线圈51的电感值变化为L’，第一上层薄膜4的电容极板42、第一下层薄膜1和中层薄膜3构成的平板电容，以及第二上层薄膜5的电容极板52、中层薄膜3、第二下层薄膜2构成的平板电容的电容值变化为C’，因此此时所形成的两个LC谐振电路的固有频率变化为f’。

完成退火后，微型爬行机器人恢复至平面状态，将其置于射频磁场中，并使磁场频率保持为f，由法拉第电磁感应定律可知，微型爬行机器人结构中的电容-电感谐振电路通过电磁感应从外部磁场中获得电能，电能由于焦耳效应转化为热能，使得结构温度升高至超过形状记忆合金的相变温度时，形状记忆功能被触发，第二下层薄膜2和第一上层薄膜4的镍钛合金会促使微型爬行机器人自动收缩为所记忆的波浪形三维结构，并向前移动一个步态距离。三维状态下，微型爬行机器人结构中的电容-电感谐振电路固有频率变化为f’而与外部磁场解耦，由于自然散热，当结构温度降低至形状记忆合金的相变温度时，形状记忆功能消失，第一下层薄膜1和第二上层薄膜5的应力材料铝会促使微型爬行机器人恢复至平面状态，从而自动进入下个耦合-解耦周期，实现持续性的前进运动。在上述过程中，微型爬行机器人对结构温度和形状能够自主进行负反馈控制，从而在无需任何控制元件和控制信号的情况下，自主智能实现持续爬行运动。

本实施例中第一下层薄膜1的图案可与第一上层薄膜4的图案互换，第二下层薄膜2的图案可与第二上层薄膜5的图案互换，而不会影响退火与温度控制时的波浪形三维变形。

本实施例中的形状记忆合金材料不限于镍钛合金，也可采用其他镍钛基和铜基等具有形状记忆功能的可导电薄膜材料。本实施例中的应力材料不限于铝膜材料，也可采用金、银、铂等其他热膨胀系数不等于所使用形状记忆合金的导电薄膜材料。本实施例中的绝缘薄膜材料不限于硅，也可采用二氧化硅等其他绝缘薄膜材料。本实施例中所出现的薄膜厚度和线圈匝数、线宽等平面设计尺寸，可根据微型机器人尺寸和变形需求进行调整。

实施例2：

本实施例中的微型爬行机器人具有两组叠放结构，两组叠放结构分别形成具有频率选择性的电容-电感谐振电路。

为增大微型爬行机器人变形能力与运动速度等性能，对实施例1结构中的第一下层薄膜1和第二下层薄膜2以及中层薄膜3进行结构优化得到实施例2。

本实施例中，如图1所示为微型爬行机器人制造完成后的二维平面状态，由三层薄膜构成，可划分为5个区域。在该实施例中第一下层薄膜1应力材料为铝，第二下层薄膜2形状记忆合金材料为镍钛合金，中层薄膜3绝缘材料为硅，第一上层薄膜4形状记忆合金材料为镍钛合金，第二上层薄膜5应力材料为铝。上述三种材料间的热膨胀系数关系为：

α_Al>α_NiTi＞＞α_Si

其中α_Al、α_NiTi和α_Si分别为铝、镍钛合金和硅的热膨胀系数。

如图8所示，第一下层薄膜1和第二下层薄膜2为形状大小完全相同的外轮廓为400μm×970μm的矩形薄膜，厚度为0.5μm，采用电子束蒸镀技术分别成型，并在矩形的短边处直接相接。以第一下层薄膜1为例，分为栅格区11和电容极板区12，栅格区11的图案是在上层薄膜第一平面矩形螺旋线圈41轮廓基础上得到的，通过延长线圈各段，得到若干纵向支撑条111和横向支撑条112，在承载中层薄膜3和第一上层薄膜4的基础上，减小结构质量，增加变形能力和散热速率。

如图9所示，中层薄膜3的外围轮廓为400μm×1940μm的矩形，厚度为0.2μm，其形状与上层薄膜图案基本相同，由平面矩形螺旋线圈状绝缘层33、电容电介质区34和平面矩形螺旋线圈状绝缘层35构成，线圈状绝缘层33的一个末端331及线圈状绝缘层35的一个末端351分别与电容电介质区34相连，而线圈状绝缘层33的另一个末端332及线圈状绝缘层35的另一个末端352相比于上层薄膜，则缩短了末端部分，目的是为使上层薄膜的两个末端412与512能分别在此处与下层薄膜直接接触。

相比于实施例1，实施例2通过减少第一下层薄膜1，第二下层薄膜2和中层薄膜3面积以减轻结构质量，增大变形能力和散热速率。

如图4所示，第一上层薄膜4和第二上层薄膜5形状完全相同，厚度为0.5μm。以第一上层薄膜4为例，由5匝第一平面矩形螺旋线圈41和400μm×245μm的电容极板42构成，第一平面矩形螺旋线圈41的一个末端411与电容极板42连接，另一个末端412处于中层薄膜3的末端332上并超出，直接与第一下层薄膜1连接，第一上层薄膜4和第二上层薄膜5采用电子束蒸镀技术分别成型于中层薄膜3的上表面。

如图10所示，平面状态下的微型爬行机器人结构形成了两个电容-电感谐振电路，其中第一上层薄膜4的第一平面矩形螺旋线圈41和第二上层薄膜5的平面矩形螺旋线圈51具有相同的电感L；第一上层薄膜4的电容极板42、中层薄膜3电容电介质34和第一下层薄膜1的电容极板12构成的平板电容，以及第二上层薄膜5的电容极板52、中层薄膜3电容电介质34和第二下层薄膜2的电容极板22构成的平板电容具有电容值C，因此此时所形成的两个平面LC谐振电路具有相同的固有频率f。

如图6所示，对微型爬行机器人在真空高温下进行退火训练时，第一下层薄膜1的热膨胀系数大于第一上层薄膜4的热膨胀系数，且均远大于中层薄膜3的热膨胀系数，因此温度差异导致的热应力将使得这部分结构向上弯曲为拱形；第二下层薄膜2的热膨胀系数小于第二上层薄膜5的热膨胀系数，且均远大于中层薄膜3的热膨胀系数，因此温度差异导致的热应力将使得这部分结构向下弯曲为拱形，微型爬行机器人自动变形为波浪形三维结构，并由第二下层薄膜2和第一上层薄膜4的镍钛合金薄膜记忆该形状。如图11所示，在该三维状态下，第一上层薄膜4的平面矩形螺旋线圈41和第二上层薄膜5的平面矩形螺旋线圈51的电感值变化为L’，第一上层薄膜4的电容极板42、中层薄膜3电容电介质34和第一下层薄膜1电容极板12构成的平板电容，以及第二上层薄膜5的电容极板52、中层薄膜3电容电介质34和第二下层薄膜2电容极板22构成的平板电容的电容值变化为C’，因此此时所形成的两个LC谐振电路固有频率变化为f’。

完成退火后，微型爬行机器人恢复至平面状态，将其置于射频磁场中，并使磁场频率保持为f，由法拉第电磁感应定律可知，微型爬行机器人结构中的电容-电感谐振电路通过电磁感应从外部磁场中获得电能，电能由于焦耳效应转化为热能，使得结构温度升高至超过形状记忆合金的相变温度时，形状记忆功能被触发，第二下层薄膜2和第一上层薄膜4的镍钛合金会促使微型爬行机器人自动收缩为所记忆的波浪形三维结构，并向前移动一个步态距离。三维状态下，微型爬行机器人结构中的电容-电感谐振电路固有频率变化为f’而与外部磁场解耦，由于自然散热，当结构温度降低至形状记忆合金的相变温度时，形状记忆功能消失，第一下层薄膜1和第二上层薄膜5的应力材料铝会促使微型爬行机器人恢复至平面状态，从而自动进入下个耦合-解耦周期，实现持续性的前进运动。在上述过程中，微型爬行机器人对结构温度和形状能够自主进行负反馈控制，从而在无需任何控制元件和控制信号的情况下，自主智能实现持续爬行运动。

本实施例中第一下层薄膜1的图案可与第一上层薄膜4的图案互换，第二下层薄膜2的图案可与第二上层薄膜5的图案互换，而不会影响退火与温度控制时的波浪形三维变形。

本实施例中的形状记忆合金材料不限于镍钛合金，也可采用其他镍钛基和铜基等具有形状记忆功能的可导电薄膜材料。本实施例中的应力材料不限于铝膜材料，也可采用金、银、铂等其他热膨胀系数不等于所使用形状记忆合金的导电薄膜材料。本实施例中的绝缘薄膜材料不限于硅，也可采用二氧化硅等其他绝缘薄膜材料。本实施例中所出现的薄膜厚度和线圈匝数、线宽等平面设计尺寸，可根据微型机器人尺寸和变形需求进行调整。

实施例3：

本实施例中的微型爬行机器人具有两组叠放结构，两组叠放结构共同形成具有频率选择性的电容-电感谐振电路。

实施例1和实施例2中采用两个线圈与LC电路，为了进一步简化微型机器人结构，提高可靠性，对实施例1结构中的各层薄膜结构进行删减简化，并更换了材料得到实施例3，只采用一个线圈和LC电路，经过试验验证，同样也能到达效果。

如图12所示为微型爬行机器人制造完成后的二维平面状态，由三层薄膜构成，可划分为5个区域。在该实施例中第一下层薄膜1应力材料为银，第二下层薄膜2形状记忆合金材料为镍钛合金，中层薄膜3绝缘材料为二氧化硅，第一上层薄膜4形状记忆合金材料为镍钛合金，第二上层薄膜5应力材料为银。上述三种材料间的热膨胀系数关系为：

其中α_Ag、α_NiTi和

分别为银、镍钛合金和二氧化硅的热膨胀系数。

如图13所示，第一下层薄膜1和第二下层薄膜2分别为400μm×300μm和400μm×970μm两个矩形薄膜，厚度为0.5μm，采用电子束蒸镀技术分别成型，并在矩形的短边处直接相接。

如图14所示，中层薄膜3的外轮廓为400μm×1270μm的矩形薄膜，即为第一下层薄膜1和第二下层薄膜2形状的并集，厚度为0.2μm，通过磁溅射镀膜技术成型于第一下层薄膜1和第二下层薄膜2上表面，将其完全覆盖，并在一侧有60μm×60μm的小孔。

如图15所示，上层薄膜厚度为0.5μm，第一上层薄膜4为400μm×300μm的矩形薄膜，第二上层薄膜5由5匝平面矩形螺旋线圈51和400μm×245μm的电容极板52构成，平面矩形螺旋线圈51的一个末端511与电容极板52连接，另一个末端512处于中层薄膜3的第一小孔31上，通过第一小孔31直接与第二下层薄膜2连接，第一上层薄膜4和第二上层薄膜5采用电子束蒸镀技术分别成型于中层薄膜3的上表面。

如图16所示，平面状态下的微型爬行机器人结构形成了一个电容-电感谐振电路，其中第二上层薄膜5的平面矩形螺旋线圈51的电感为L；第一上层薄膜4、第二上层薄膜5的电容极板52、第一下层薄膜1、第二下层薄膜2和中层薄膜3构成的平板电容具有电容值C，因此此时所形成LC谐振电路具有固有频率f。

如图17所示，对微型爬行机器人在真空高温下进行退火训练时，第一下层薄膜1的热膨胀系数大于第一上层薄膜4的热膨胀系数，且均远大于中层薄膜3的热膨胀系数，因此温度差异导致的热应力将使得这部分结构向上弯曲为拱形；第二下层薄膜2的热膨胀系数大于第二上层薄膜5的热膨胀系数，且均远大于中层薄膜3的热膨胀系数，因此温度差异导致的热应力将使得这部分结构向下弯曲为拱形，微型爬行机器人自动变形为一端翘起的拱形三维结构，并由第二下层薄膜2和第一上层薄膜4的镍钛合金薄膜记忆该形状，退火无需模具。

如图18所示，在该三维状态下，第二上层薄膜5的平面矩形螺旋线圈51的电感变化为L’，第一上层薄膜4、第二上层薄膜5的电容极板52、第一下层薄膜1、第二下层薄膜2和中层薄膜3构成的平板电容具有电容值变化为C’，因此此时的LC谐振电路固有频率变化为f’。

完成退火后，微型爬行机器人恢复至平面状态，将其置于射频磁场中，并使磁场频率保持为f，由法拉第电磁感应定律可知，微型爬行机器人结构中的电容-电感谐振电路通过电磁感应从外部磁场中获得电能，电能由于焦耳效应转化为热能，使得结构温度升高至超过形状记忆合金的相变温度时，形状记忆功能被触发，第二下层薄膜2和第一上层薄膜4的镍钛合金会促使微型爬行机器人自动收缩为所记忆的一端翘起的拱形三维结构，机器人头部和尾部的摩擦力由于接触面积的不同产生差异，可向前移动一个步态距离。三维状态下，微型爬行机器人结构中的电容-电感谐振电路固有频率变化为f’而与外部磁场解耦，由于自然散热，当结构温度降低至形状记忆合金的相变温度时，形状记忆功能消失，第一下层薄膜1和第二上层薄膜5的应力材料银会促使微型爬行机器人恢复至平面状态，从而自动进入下个耦合-解耦周期，实现持续性的前进运动。在上述过程中，微型爬行机器人对结构温度和形状能够自主进行负反馈控制，从而在无需任何控制元件和控制信号的情况下，自主智能实现持续爬行运动。

本实施例中第一下层薄膜1的图案可与第一上层薄膜4的图案相同，第二下层薄膜2的图案可与第二上层薄膜5的图案互换，而不会影响退火与温度控制时的一端翘起的拱形三维变形。

本实施例中的形状记忆合金材料不限于镍钛合金，也可采用其他镍钛基和铜基等具有形状记忆功能的可导电薄膜材料。本实施例中的应力材料不限于银膜材料，也可采用金、铝、铂等其他热膨胀系数不等于所使用形状记忆合金的导电薄膜材料。本实施例中的绝缘薄膜材料不限于二氧化硅，也可采用硅等其他绝缘薄膜材料。本实施例中所出现的薄膜厚度和线圈匝数、线宽等平面设计尺寸，可根据微型机器人尺寸和变形需求进行调整。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，其特征在于：包括至少三层贴合的薄膜；

其中上层薄膜与下层薄膜均分别包括形状记忆合金薄膜区域和导电的应力材料薄膜区域，且形状记忆合金薄膜区域与导电的应力材料薄膜区域沿微型爬行机器人爬行方向依次分布；所述形状记忆合金与所述应力材料的热膨胀系数不同；中层薄膜为绝缘薄膜；

上层薄膜中的导电的应力材料薄膜区域与下层薄膜中的形状记忆合金薄膜区域位置对应叠放，上层薄膜中的形状记忆合金薄膜区域与下层薄膜中的导电的应力材料薄膜区域位置对应叠放；

定义一组叠放结构由一层形状记忆合金薄膜、一层绝缘薄膜和一层导电的应力材料薄膜组成；所述微型爬行机器人包括至少两组叠放结构，且相邻两组叠放结构的三层薄膜材料叠放顺序相反；

至少一组叠放结构中的一侧形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜采用平面电容极板加平面电感布局，且平面电感的一端与平面电容极板相连，平面电感的另一端穿过绝缘薄膜，与叠放结构中的另一侧薄膜连通，形成具有频率选择性的电容-电感谐振电路。

2.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，其特征在于：所述微型爬行机器人具有平面以及三维波浪两种模态；两种模态下，所述谐振电路的固有频率不同。

3.根据权利要求1或2所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，其特征在于：所述平面电感采用平面螺旋结构。

4.根据权利要求3所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，其特征在于：所述平面电感采用矩形平面螺旋结构，且矩形平面螺旋结构的长边沿微型爬行机器人爬行方向。

5.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，其特征在于：当有N组叠放结构的一侧形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜采用平面电容极板加平面电感布局时，N≥2，则该N组叠放结构均分别形成一个频率选择性的谐振电路，且当所述微型爬行机器人处于平面模态时，N个谐振电路的固有频率相同。

6.根据权利要求5所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，其特征在于：所述N组叠放结构的面积相同。

7.根据权利要求1所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，其特征在于：所述微型爬行机器人包括两组叠放结构，只有一组叠放结构的一侧形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜采用平面电容极板加平面电感布局，且该组叠放结构面积大于另一组叠放结构面积；并且两组叠放结构中处于同一层的薄膜直接连接，两组叠放结构共同形成一个谐振电路。

8.根据权利要求3所述一种基于形状记忆合金薄膜的无线自驱动微型爬行机器人，其特征在于：对于一组叠放结构，若其中一侧形状记忆合金薄膜或导电的应力材料薄膜采用平面电容极板加平面电感布局，则中间的绝缘薄膜采用与所述平面螺旋结构形状相同的平面螺旋绝缘结构，而另一侧薄膜采用能够支撑所述平面螺旋结构和平面螺旋绝缘结构的栅格结构。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的微型爬行机器人的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照所述微型爬行机器人的三层贴合薄膜的设计要求，成形三层贴合薄膜，得到平面模态下的微型爬行机器人；

步骤2：在真空高温环境对微型爬行机器人进行退火训练，由于所述形状记忆合金和应力材料的热膨胀系数间存在差异，因此高温下，微型爬行机器人从平面模态转变为三维波浪模态，并被形状记忆合金记忆。

10.一种如权利要求1～8任一项所述的微型爬行机器人的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在常温下，所述微型爬行机器人处于平面模态，将其置于射频磁场中，射频磁场的频率为所述微型爬行机器人处于平面模态时，所述谐振电路的固有频率；

步骤2：所述微型爬行机器人通过电磁感应从射频磁场中获得电能，并转化为热能，当所述微型爬行机器人结构温度升高至超过形状记忆合金的相变温度时，形状记忆效应促使微型爬行机器人自动收缩为所记忆的波浪形三维结构，并产生相应的驱动位移，所述微型爬行机器人转变为三维波浪模态；

步骤3：所述微型爬行机器人转变为三维波浪模态后，所述谐振电路的固有频率与射频磁场的频率解耦；当所述微型爬行机器人结构温度降低至低于形状记忆合金的相变温度时，形状记忆效应消失，所述应力材料的回复应力促使所述微型爬行机器人恢复至平面模态，完成一个运动周期。

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