超高性能纳米定位机器人创新设计方法—从“进化”中寻找最优设计

纳米定位机器人（Nanopositioner）是一种能够在微纳尺度进行精确定位的柔性机器人，广泛应用于显微技术（如扫描电子显微镜）、生物医学研究（如细胞操作）以及精密制造（如微纳加工）等领域。为实现高精度动态性能，最大化机器人的刚度比（Stiffness Ratio）和机械带宽（Mechanical Bandwidth）是最理想目标，其性能直接决定了机器人的定位精度、任务空间和抗干扰能力。然而，高刚度比和高带宽往往难以兼得，使得现有定位机器人无法同时优化多项关键性能指标。突破该技术瓶颈，开发兼具高刚度比和高带宽的定位机器人，已然成为当前精密工程领域亟待突破的核心挑战。

针对这一难题，新加坡南洋理工大学Lum Guo Zhan教授及其合作者提出了一种基于进化理念的创新设计方法。该方法创新性的利用傅里叶函数表征结构拓扑，通过融合运动学分析与智能进化算法，以更好地优化机器人多项性能指标。基于该创新设计方法，研究团队成功研发出一款全新的XYθz纳米定位机器人。相比现有定位机器人，其多项关键性能指标实现了大幅提升。相关研究成果以“From Fourier topology representation to optimal robot: evolution of an ultrahigh performance XYθz nanopositioner”为题，发表于Nature首个工程领域子刊《Communications Engineering》。北工大吕峥教授为论文第一作者，新加坡南洋理工大学Lum Guo Zhan教授为论文通讯作者。

▍创新设计方法：从“进化”中寻找最优设计

为突破定位机器人最优设计难题，研究团队摒弃了传统的试错式设计，转而采用了一种受“自然选择”启发的创新设计方法。首先，研究人员基于运动学分析确定了定位机器人的初始构型和设计可行域。其次，创新性利用傅里叶函数表征机器人设计域的结构拓扑，并通过智能进化算法进行优化，以寻找最大化刚度比的拓扑形态。最后，针对最佳拓扑形态进一步优化了拓扑结构形状和尺寸，在保证高刚度比的同时，最大化机械带宽。这种创新设计方法从“进化”中寻找最优设计方案，遵循了生物界“自然选择”的进化理念。

图1. 最优XYθz纳米定位机器人的进化设计过程

▍突破性能瓶颈，实现全面优化

研究团队基于进化理念的创新设计方法，最终进化出一种全新的XYθz纳米定位机器人。通过系统性测试分析，该机器人成功打破了现有机器人性能限制：

• 超高刚度比与高机械带宽：全新的纳米定位机器人刚度比达到741-869，远高于现有机器人的0.5-248。其机械带宽达到123Hz，远超现有大任务空间定位机器人的20-70Hz，这意味着机器人拥有更快的动态响应。
• 大任务空间与超高定位精度：任务空间达5.8mm*5.8 mm *6°，同时定位精度精细至13 nm *14 nm *1.3 µrad。其任务空间与定位精度的比值高出现有同类机器人4.9-2.31 *1011倍，抗干扰能力更是比同类机器人高出1142-2.10 *1017倍，标志着其在综合性能上达到了全新高度。

▍应用前景广阔，潜力无限

这款超高性能纳米定位机器人为众多前沿领域带来了新的可能性：

• 显微技术：可作为高速、大范围、高分辨率的样本扫描平台，用于电子显微镜或超分辨率显微镜，快速生成高质量图像。
• 生物医学：在细胞微注射等操作中，其高精度和大行程能提高成功率和通量，助力基因工程和药物研发。
• 精密制造：在纳米压印、集成电路检测和微纳加工中，能够实现更精细的特征制造、处理更大尺寸的晶圆，并减少加工误差。

这项工作不仅展示了一款性能卓越的纳米定位机器人，更重要的是提供了一种强大的创新设计方法。这种结合了运动学分析和进化算法的综合方法，未来还有望用于设计性能更优的软体机器人、传感器、能量收集器和其他智能致动器，为整个柔性器件领域带来新的灵感。