科技成果汇编：先进制造技术领域

项目1：压电微马达

项目2：导电原子力显微镜针尖处理技术

项目3：智能假肢

项目4：无人自主飞艇

项目5：Robo Shark智能仿生深海潜航器

项目一：压电微马达1项目简介

压电马达是利用压电材料的逆压电效应进行机电能量转换的电动机。压电马达由振动件和运动件两部分组成，依靠超声摩擦实现驱动，同时，由于采用功能陶瓷作为能量的转换器件，没有绕组、磁体及绝缘结构，使其在工作中自身不产生电磁辐射，也不受周围电磁场的影响，所以具有低速下大力矩输出、对电信号响应速度快和分辨率高的特点。在小尺寸时，功率密度比普通电动机高得多，但输出功率受限制，宜制成轻、薄、短小的形式。有旋转和直线两种驱动模式。

微马达具有微型化、多样化和集成化的特点，一个小的操纵手可以更准确、更轻柔地抓住并移动小目标。在扫描定位系统中，小的驱动器具有更短的响应时间，更细致的定位功能。微型机器可自由地在很细的管道中移动，如在人体的静脉中移动和去除血垢，也可用来操作更加细微的电子元器件。毫米尺寸的压电马达可广泛应用于照相手机、超微型数码相机、电脑摄像头、微型监视器摄像机、医用内窥镜、机器和工业用内窥镜、精密光学仪器、微型机器、纳米分辨率操作台、显微操作仪、自动细胞和DNA分析仪等领域；高温压电驱动器、高温压电微马达在内燃机燃油电喷控制、高温油（气）阀、国防领域（如导弹姿态控制）等方面具有很大的应用价值。

压电致动器以压电陶瓷材料为驱动元件，具有很高的功率密度，在小尺度内可实现微纳米精密驱动。本课题组研发团队发展了铌、锌、锰、锑等多种元素掺杂改性锆钛酸铅高性能压电陶瓷、锰掺杂改性钪酸铋-钛酸铅高温压电陶瓷材料，也研究了压电单晶材料在微马达、微驱动器中的应用，研发了系列微型压电马达、包括可应用于低温和高温的压电驱动器、用于驱动光学镜片的压电微马达，以及应用于纳米精密定位的多轴压电驱动平台。目前课题组已经研发出了世界上最小、直径仅为1毫米的压电单晶马达。比如研制的压电单晶超声微马达，体积尺寸仅有1.5×1.5×5mm3、重量仅有0.1g，但最大可以产生20g的驱动力，其单位体积或质量产生的输出力比传统电磁原理音圈马达要高出100倍以上。此外，课题组还开发出系列推力从0.2N至32N的压电直线马达和相应的压电驱动器工作台，其主要性能指标可以取代进口anomotion的产品。本课题还研发出了可在2500℃高温下工作、具有微纳米分辨率的压电驱动器，可用于高温阀，最近还研制了具有亚微米分辨率的6轴压电微机电系统，在微型机器人精密操作系统、微电子组装、生物医学微细操作、超精密微细加工、光通讯，以及3D打印系统等领域具有广泛应用前景。

项目二：导电原子力显微镜针尖处理技术1项目简介

原子力显微镜 (Atomic Force Microscope, AFM)，一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。原子力显微镜主要由带针尖的微悬臂，微悬臂运动检测装置，监控其运动的反馈回路，使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件，计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。

微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。原子力显微镜（AFM）在许多基础研究领域中得到广泛使用，是超微观察工具，特别是对于不具有导电性的生物样品和有机材料等，AFM同样可以提供较高分辨率的表面形貌图像。同时，AFM还具有操纵和改造原子、分子世界的手段。原子力显微镜为了避免加宽效应，一般通过电子束加工针尖使其曲率半径达到几个纳米，来提高图像的分辨率和准确度。但仍然存在着一些局限性，例如：针尖性质的变化很大，获得高分辨率的图像变得很难。另外，针尖扫描时的磨损对分辨率也有影响。AFM能获得原子分辨率，主要是因为在其针尖的表面存在着原子级的突起，构成了与样品的实际接触。但是这些突起的尺寸形状和化学组成是未知的，而且在实验中经常发生改变，因此获得可信赖的针尖是成像过程中获得高分辨率的关键。

不同的针尖适用于AFM不同的应用领域。导电原子力显微镜（CAFM）采用固体金属作AFM的针尖，对材料进行纳米尺度的电学表征依然存在着同样的困扰。

研究团队利用单层石墨烯包覆CAFM金属针尖，发现石墨烯包覆的针尖保留了包覆前针尖的形状，并且包覆的针尖能承受非常高的电流和摩擦力。新型针尖具有稳定、耐磨、寿命长、图像失真度低等优点，很好的解决了现有AFM针尖中存在的问题，提高了AFM的仪器性能。该项研究已经申请了欧洲专利，纳米技术设备领域的诸多公司表现出了对该项研究成果的强烈兴趣。

项目三：智能假肢

1项目简介

针对下肢残障人士恢复运动能力的需要，项目团队开展学科交叉研究，首次提出并实现具有柔性可控关节和分段平脚的智能动力假肢，并研制出目前国际上重量最轻的动力小腿假肢。研发团队提出基于本体感觉的多层控制机制，实现智能小腿假肢的流畅运动和对复杂地形的自主适应，并在国际上首次提出基于人体电容信号实现下肢运动意图识别的方法，为人与假肢融合控制提供了全新的研究手段。研发团队研制出具有踝、趾关节的智能动力小腿假肢PANTOE。该款小腿假肢重1.47kg，具有踝和脚趾两个可控关节，由两个串联柔性驱动器分别进行控制。踝关节运动范围为跖屈30°到背屈20°，脚趾关节的运动范围是背屈0°到90°。研制的智能动力小腿假肢PKU-RoboTPro为目前国际上同类主动假肢重量最轻（1.3kg），并实现对复杂地形的自主适应，更适合残疾人日常实际使用。其踝关节的运动范围是跖屈30°到背屈20°。目前该款假肢已完成超过300人次的残疾人穿戴实验，相关产业化产品已投放市场，进入实用阶段。

项目四：无人自主飞艇

1项目简介

在面向区域环境监测和作业的高载荷无人自主飞艇平台的研究基础上，在国家科技支撑计划项目的支持下，研制出了无人自主飞艇。该飞艇艇长17+0.2m，艇宽7.5m，有效载重110kg，为三椭球异形结构，内置附气囊，尾部为十字动力尾翼，动力系统采用双螺旋浆油电混合动力系统。面向区域环境监测和作业的高载荷无人自主飞艇平台，在区域环境监测、矿产资源勘探、土地资源规划、农业无人作业等领域开展了应用示范。

项目五：Robo Shark智能仿生深海潜航器

1项目简介

本项目产业化的市场定位为需要长时间、远航程、可进行水下目标侦测及定位的单位。Robo Shark 智能仿生深海潜航器采用鲨鱼为原型，以三关节仿生尾鳍取代无刷推进器，有效降低设备运行噪声的同时节省了能量消耗。设备外壳采用吸音材料制成，可以提高设备的隐蔽性。通过重力舱吸排水实现设备的上浮下潜，控制更为灵活，具有定点悬停、定深巡游等多种智能运动功能，最大下潜深度可达1000m。此潜航器的主要特点：

1.节能高效：采用仿生 + 滑翔作为动力源，利用反卡门涡街的驱动原理，仿生推进效率高达80%；

2.隐蔽环保：模拟鲨鱼的外形与游动方式，隐蔽性强，对环境扰动小，不会伤害水下生物；

3.安全可靠：采用整体开放，局部密封的设计，配备六方向避障传感器，具有低电量返航、失联返航等功能；

4.载荷扩展：可搭载声、光、电、磁传感器，满足水下通信、水下定位和水下探测等需求。

Robo Shark具有长续航、低噪音的优势，适合用于长时间的水下巡游、水下追踪等任务。可完成海洋勘探，包括海洋科考、水质监测、地貌测绘等任务；

水下作业，包括海底管道检测、水下打捞、大坝巡检等任务；军事上可应用于目标侦查、搜寻、定位及排爆等复杂任务。Robo Shark多关节仿生机器鱼根据应用场景和使用需求，除高精度GPS、深度计、九轴姿态传感器以及远距离射频通信等标准模块外，还可以搭载声呐设备、水声通讯设备，进一步的丰富产品功能。

本项目已经做出工程机，可根据实际进行定制化开发。主要性能参数如下：

1.续航能力：15天（滑翔推进）/8小时（尾鳍推进）

2.最大下潜深度：1000m

3.导航：GPS、惯性导航

4.通信距离：开阔水域可达 3km（可选配卫通模块）

5.最大巡游速度：1.5m/s，五级速度可调

6.最大负载能力：25kg

联系电话：15060521739

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