微波是指频率在300 MHz-300 GHz之间的电磁波，具有穿透性、选择性加热性、体积均匀加热性和信息性等特点。

其中，微波作为热源已经广泛应用于生活、工业甚至军事领域，例如人们常用的微波炉、钢铁冶金焊接、生物杀菌以及高功率微波武器等。

微波也是常见的无线通信手段。微波的信息性体现在微波信号可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。

前不久，哈尔滨工业大学（威海）的赵建文教授团队探索了直接利用微波来驱控机器人的原理，从而使机器人无需携带任何电类器件、工作在其他驱动方式尚不能胜任的某些特殊场合。

该项研究以论文《Multi-Degree-of-Freedom Robots Powered and Controlled by Microwaves》为题发表于期刊《Advanced Science》中。

▍利用微波的相位信息进行多自由度控制

近些年来，针对医疗保健和高强度微波暴露环境，国内外研究人员根据不同的微波加热机理研发了多种微波致动人造肌肉，这些微波致动人造肌肉主要利用吸波材料，如碳纳米材料、氧化铁粉、高性能氟化物等将微波能转化为热能，结合形状记忆效应、气液相变或各向异性热膨胀实现肌肉变形。

相比于磁场、光、超声和湿度等无线致动方式，微波可以基本无损耗的穿透某些非透明障碍物，例如水泥、陶瓷、塑料等。同时，利用相控阵技术，微波也可实现非机械快速转向与聚焦。因此，在其他驱动方式尚不能胜任的某些特殊场合，如封闭非透明结构体内部的变形控制、微波消融治疗与机器人的联合等方面有潜在应用价值。

微波不仅能远距离传输能量，还能承载相位信息、极化信息和频率信息。研究人员设计了一种微波致动的并联机器人，通过调整微波传播过程中的极化方向改变并联机器人主动臂的微波接收功率，可以实现机器人末端轨迹控制，达到微波致动的驱控一体化。

研究人员利用角锥喇叭天线发射的频率为2.47 GHz、功率为700 W的微波对机器人进行驱动和控制。

并联机器人的主动臂（双层弯曲致动器）由高磁导率的吸波片和双金属片组成，被动臂和移动平台由工程塑料薄片切割而成。

并联机器人上三个弯曲致动器间隔120°排列，当喇叭天线旋转时，每个弯曲致动器的微波接收效率发生改变。通过控制每个弯曲致动器的接收效率，可以在距离波端口0.45 m的距离上实现并联机器人末端的圆和三角形轨迹控制。

团队在研究中发现，对于空间中不同位姿的吸波材料，起到加热作用的微波分量不同。微波中的电场可在吸波材料中激发高频电流产生焦耳热，其原理与鞭状天线类似；微波中的磁场则通过在吸波材料中激发涡流实现加热。

▍小型化与轻量化

无线致动机器人由于不需要电池、电缆和电子电路等组件，易于实现机器人的轻量化、小型化。

根据鞭状天线原理，团队也提出了一种基于导线和形状记忆合金（SMA）弹簧的伸缩致动器，并基于此设计了一种四足爬行机器人。四足爬行机器人长15 mm，重量仅为0.42 g，展示了微波致动机器人在小型化、轻量化方面的优势。

▍模仿植物的感性运动

感性运动是指植物体受到不定向的外界刺激而引起的局部运动，例如蒲公英花序夜晚及阴天关闭。烟草在光强时关闭，夜晚开花。

研究人员利用4组伸缩致动器模拟了植物的感性运动。黄色的导线如同植物的花蕊，当微波照射在这些“花蕊”上时，“花朵”的四片花瓣就会打开；当没有微波时，花瓣则会全部闭合，展示了微波在集群驱动方面的潜力。

赵建文教授/邢志广博士团队长期致力于软体机器人相关研究，聚焦于软体机器人在复杂设备内部检修方面和智能材料驱动感知方面，研究成果已用于核电设备内部检修。博士研究生李永泽为本文第一作者，赵建文教授和邢志广博士为该文的通讯作者。

论文信息：

Multi-Degree-of-Freedom Robots Powered and Controlled by Microwaves

Yongze Li, Jianyu Wu, Peizhuo Yang, Lizhong Song, Jun Wang, Zhiguang Xing*, and Jianwen Zhao*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202203305

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203305

作则 | RoboSpeak

排版 | 麦子