哈尔滨工业大学刘英想教授团队AMT：一种具备夹持和搓捻操作功能的仿生双指微操作器

Wiley

2025-09-22

研究背景

随着生物医学、光学以期等精密工程领域的迅速发展，微纳尺度下的操作需求日益增长，传统的单自由度微操作器已难以胜任诸如光纤耦合、细胞操控、微器件组装等复杂任务。在此背景下，如何设计出结构紧凑、高分辨力、操作灵活的两自由度微操作器，已成为微操作系统技术领域亟需解决的关键问题。相比于电磁、电热和静电驱动，压电驱动因其结构紧凑、抗电磁干扰能力强、精度高、响应速度快等优点而备受关注。目前的压电致动型微操作器多采用双压电叠堆分别驱动一维柔性放大机构，以实现夹持与旋转功能，但普遍存在结构复杂、输出行程受限、寄生位移显著等问题，尚无法满足相关领域的发展需求。因此探索新型压电致动方案与微操作器构型，实现跨尺度二维精细操控，具有重要的科学研究意义与应用价值。

文章概述

近日，哈尔滨工业大学先进驱动技术研究室刘英想教授团队提出了一种新型仿生双指微操作器。该研究受双指协调动作启发，创新性地提出了一种将单端二维驱动转化为双端二维输出，以实现夹持和搓捻操作的方法。研究中设计了弯曲压电致动器，并集成了二维柔性机构，利用柔性机构的放大与导向功能将致动器产生的二维微致动轨迹转化为双指的二维反向宏观运动，进而实现夹持与搓捻功能。该微操作器总行程769.4 μm、夹持范围0-2108.4μm、位移分辨力119.5 nm、夹持力分辨力0.59 mN，可实现对直径250 μm的光纤180°以上旋转操控，并能稳定完成直径2 mm锡球的夹取与旋转，以及微型齿轮的啮合操作。相关实验结果展现出其在光学器件装配、微器件抓取与操控等领域的广阔应用前景。

图文导读

图1 双指微操作器结构与工作原理。a.张开动作原理，当对X方向压电陶瓷施加正电压时，弯曲致动器沿X方向产生弯曲运动，二维柔性机构对其输出位移进行放大与导向，最终实现类似人体双指的张开动作；b.夹紧动作原理，当对X方向压电陶瓷施加负电压时，实现类似人体双指的夹紧动作；c.搓捻动作原理（顺时针），当对Y方向压电陶瓷施加正电压时，弯曲致动器沿Y方向弯曲运动，二维柔性机构对其输出进行放大与导向，最终实现双指搓捻动作，操作物体绕Z轴顺时针旋转；d.搓捻动作原理（逆时针），当对Y方向压电陶瓷施加负电压时，操作物体绕Z轴逆时针旋转。

图2 微操作器行程与夹持范围。a.微操作器在600 V_p-p电压激励下夹持运动过程中位移及耦合位移，XL和XR分别表示左指和右指在X方向的输出位移，yl和yr分别表示左指和右指在Y方向的耦合位移；b.微操作器在600 V_p-p电压激励下搓捻运动过程中位移及耦合位移，YL和YR分别表示左指和右指在Y方向的输出位移，xl和xr分别表示左指和右指在X方向的耦合位移；c和d.初始间隙调整范围。

图3 微操作器机械特性实验结果。a.左右两侧各级柔性结构在X方向和Y方向的放大比；b.夹持运动位移分辨力；c.搓捻运动位移分辨力；d和e.谐振频率测试实验装置及实验结果；f.应变传感器标定实验结果；g.夹持力分辨力；h.最大夹持力测试实验结果。

图4 夹持和搓捻操作实验结果。a.夹持及搓捻光纤时双指位移测试结果；b.夹持及搓捻光纤时夹持力测试结果；c.光纤操作初始阶段；d.光纤操作夹紧阶段；e.光纤操作搓捻阶段；f.光纤操作松开阶段；g.光纤搓捻实验过程快照；h.实验装置；i.锡球搓捻实验过程快照；j.微齿轮啮合实验过程快照。

期刊简介

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