【WRC专家观点】德国奥尔登堡大学教授谢尔盖·法蒂科夫：《微机器人在精密制造与微电子行业的创新应用》 世界机器人大会服务平台 2025年09月19日 14:02 北京

         2025世界机器人大会8月8日至12日在北京经济技术开发区北人亦创国际会展中心举行。本届大会设置3天主论坛和31场系列活动，邀请416位国内外专家学者、企业家、国际机构代表，分享新技术、新产品、新应用。
        德国奥尔登堡大学教授谢尔盖·法蒂科夫以《微机器人在精密制造与微电子行业的创新应用》为主题发表了演讲。

     
       大家上午好！我的研究领域是关于精准机器人和微机器人，这个领域想要取得突破并非易事。今天，我将与大家交流微机器人在精密制造与微电子行业的创新应用。

在此，我要特别感谢高教授。高教授提及了精准工业机器人方面存在的局限，而这正是我今日分享的重点内容之一。在实现高位精度时，机器人精准移动以提供服务极具难度，这也导致其难以适配多种不同场景。另外，在开幕式上，辛国斌先生提到了特殊目的机器人，这与我今日要讲的特殊机器人不谋而合。这类机器人可应用于探索太空、深海以及其他地形严苛的环境，其工作规模能达到微米甚至纳米级。然而，在微米级生产机器人的研发过程中，我们面临着巨大挑战。由于环境未知，在35微米这样的尺度下，我们很难对环境进行准确建模与深入理解，这使得自动化操作在不确定环境下变得困难重重。

多年前，一位诺贝尔奖得主曾言：“人们开始思索如何操弄纳米级别的物质。”时至今日，这依旧是一个亟待攻克的难题，因为其中蕴含的挑战过于巨大。在未知环境中实现自动化操作，无疑是一项极为艰巨的任务。接下来，我想为大家展示一些实验室的研究实例，这些例子均与我们此前开展的纳米级自动化研究相关，且运用了机器人技术。不过，由于时间有限，我们无法详细阐释背后的原理，诸多细节也难以一一展开。倘若大家感兴趣，可以前往我所在的公司以及学院的网站，获取更全面的信息。

我深感自豪的是，我所在的学院衍生出了一家小型创业公司，专门投身于相关实验研究。提及高精度操弄或纳米操弄的定义，当前有众多纳米级别的操作至关重要，例如组装、表征、结构分析、追踪以及衡量等。所有这些操作，均需借助机器人技术，或是涉及运用机器人操作的纳米级操控工艺，因为除此之外，并无其他可行之法来完成这些任务。

高精度微机器人作为一项具有核心异禀技术的纳米相关产业，蕴含着巨大的发展潜力。下面为大家分享一个实验室的实例。在研究中，我们着重聚焦于电子数相关的纳米级操作。值得注意的是，纳米级的规模构建是由传感器来实现的，而非执行器，具体是借助机械臂的延伸操作完成的。举例来说，当材料处于0.1纳米的尺度时，是能够被精准移除的。对于众多应用场景而言，在纳米级别进行操作，唯一可行的选择往往是将材料置于真空室中进行吸取，这也是我们实验室目前正在开展的工作。通过使用标准化设备，我们能够实现3纳米的分辨率，这在当前技术领域已经相当出色。

我们可以将各种不同的关键技术进行整合积累。如图所示，高清晰影像以及微机器人的高清部署技术至关重要，当然，这些也是实现纳米级自动化的前提条件。众所周知，这属于扫描技术的范畴，需要一点一点、一线一线地进行细致扫描，随后将所有获取的信息进行汇总，最终形成完整的成像。此外，我们还发现了其他可行的方案来克服相关难题。我们采用两线扫描技术来追踪标记，该技术在自动化领域较为常见。不过，我们针对纳米级操作的需求，对这项技术进行了适当的优化与改进。

在这个实验里，我们将微米颗粒置于特定环境中。借助工作台上高精度的颗粒移动观测系统，扫描机器能够敏锐地捕捉到这些微小颗粒。与众多工业机器人相比，该扫描机器在移动速度上表现极为出色。目前，我们正在开展多个不同项目，其中高精度特性是当下研究的核心要点。基于此，我就不具体提及项目名称了，毕竟我们围绕的正是这一领域展开研究。在众多项目中，我们聚焦于自动化纳米操作的高精度机器人研发。我们开展此项研究并非单纯为了发表学术文章，而是致力于将其真正应用于工业领域，德国以及欧洲的公司有着迫切需求，因此我们的大部分项目都是由工业实际需求所驱动的。

首先，谈谈纳米工具机器组装项目。我们使用的原子粒型微径超尖探针，期望能够突破当前制造表面机器所面临的瓶颈。在实验过程中，我们会对同一个样本进行多达100次的扫描，以此收集相关数据。随后，利用机器人对专门设计的工具进行组装，使其形成一个类似杠杆的结构。这在纳米技术领域是广为人知的做法。我们虽然具备制造高精度表面探针的能力，但扫描该表面却困难重重，原因在于其结构本身极为深邃且尺寸微小，处于纳米结构的底层。正因如此，这是一项至关重要的任务，也是我们当前项目正在攻克的关键环节。

在对同一样本进行扫描时，我们采用相同的纳米参数，且该样本精准定位在宽度为1微米的结构的第30纳米深度处。这一操作所运用的技术，不仅极为敏感，而且属于较为成熟、广为人知的技术范畴。以横向敏感胶体探针为例，制造此类探针困难重重。原因在于，它要求探针具备极高的灵活性，针尖必须达到超高的精准度，同时还需具备可组装特性。所以，我们引入了高精度机器人。这个特定项目主要应用于FIB（聚焦离子束）材料处理。先利用标准探针移除材料，随后再进行重新组装，整个操作所涉及的规模大致在1000 - 1500纳米之间，而精度则可控制在5、6纳米的水平。

接下来要介绍的是一项基于电子束显微镜与扫描微波显微镜的多模态显微技术。该技术实现了3D成像、微波成像以及第三种模态（可根据实际情况明确）的三模态显微镜同步数据采集。它采用了扫描电镜与光学相机实时图像同步采集的方式，通过扫描电镜、主控计算机以及射频端口，对扫描电镜进行有序的展排操作。在此过程中，设置了一个用于放置扫描目标的装置，如此一来，便能够从单一设备中获取更为丰富的信息。在纳米研究阶段，这种技术优势显著，不仅效果出色，而且成本相对较低。不同设备所采集到的信息应当能够实现无缝对接，这一点至关重要。只有实现信息对接，在最终进行数据综合处理时，数据才能达到协同、通用的效果。这实际上是扫描电镜内集成的一项创新应用，它运用了微纳米点技术，其精度可达4纳米。在显微镜的实际显示画面中，能够清晰地看到微电容、悬梁臂以及探针之间的结构，在显微镜的尺度下，这些结构的尺寸可达到1 - 10纳米，甚至还能看到相应的截断面。该技术还有另一项重要应用，即应用于氧化物组变存储器。基于二氧化碳的存储器件，利用扫描微波显微镜，可在目标应用频段实现对纳米电子器件的精准表征，扫描微波的模式也清晰可见。因此，通过微波显微镜能够观察到逻辑态的变化情况。下面要介绍的是纳米级高频微波接触探测技术，这无疑是一个极佳的展示案例。此外，针对探针定位如何对准偏差以及偏差所产生的影响，我们在40GHZ的频率下进行了模拟分析，模拟对象涵盖了开路结构和短路结构。

在这里，我们持续推进基于高精度机器人与扫描电子显微镜成像的自动化探测工作，此项目是与德国一家兄弟研究单位携手开展的，经过双方努力，探测的重复性得到了显著增强。我们首先借助扫描电子显微镜获取图像，随后运用自动化的图像模式进行处理。该系统具备自动对焦功能，且采用开放式的结构设计，为后续操作提供了便利与灵活性。

接下来介绍一下纳米颗粒隧道节点阻（NTR）应变传感器设备。这是一种由德国某公司制造的特殊材料，深入了解其性能表现十分必要。这种材料的优势在于，纳米颗粒隧道节点阻材料兼具金属导电特性，例如其微观结构中包含箔以及嵌入非晶碳晶体中的部分。基于电子数诱导的沉积原理，当材料受到拉伸时，在扫描电子显微镜的观察下，其内部的量子效应会导致电阻增加。利用这一特性，我们可以实现任意形状、任意位置以及任意表面的加工。内缘位置感应传感器中的纳米隧道电阻应变传感器能够随之发生变化，前驱体机体可在旁边注入到换能器中，例如注入到压力膜面上。目前，扫描电镜内置的原子粒、显微镜相关技术已实现商业化应用。在此过程中，自动化操作必不可少，尤其针对纳米隧道的通道。通过自动化技术，我们可以直观地看到设备的工作结果。机器人必须进行实时的有形算法计算，以此对比相关数据，精准预测所需的纳米量，进而借助高精度卫星机器人实现自动漂移与校正。确定物料处于正确位置至关重要，因为必须确保接触状态极其稳定，所以静电极以及中间传感器的位置都必须完全准确无误。

我们采用了一个封闭舱体，舱体内设有压柄膜，膜上构建了一条长达一米的隧道电阻。借助该装置，我们能够从传感器中精准获取信号，其效果十分显著。基于此，我们成功实现了全自动化工艺，完整电桥每7秒的测试结果稳定可靠，且器械与电子电学性能的偏差控制在小于10%的范围内。我们期望这项技术能够在更多领域得到应用，预计在几年内便可实现成批量的商业化生产。

接下来，介绍本次分享的最后一个主题——真空中液态微滴的高压操控。表面湿润性能可通过液滴与表面之间的接触角这一定量指标来进行描述，这是一种用于表征液体表面能的实验方法。在某些特定情况下，该方法还可用于表征体表面能的相关特性。我们通过扫描电子显微镜成像来测定接触角，以此对基底进行评估。由于此次研究聚焦于液态金属与基底之间的湿润性能，我们特别选用了45度倾斜的样品台，并将样品表面定位为与电子束相垂直，以确保实验的准确性和可靠性。

对于非理想表面而言，接触角往往会出现滞后现象。在此情形下，唯有通过测量前进接触角与后退接触角，并基于这些测量值计算出平衡接触角，才能够较为准确地估算出固体与液体之间的黏附性。在本研究中，我们并未采用硅作为实验材料，而是选用了液态材料作为替代方案，并运用了高度变化法。该方法最终应用于对疏水平面上水的相关研究。在实验过程中，液体的体积始终保持恒定，通过改变基底的高度，弯月面的形状以及接触角均会随之发生变化。我们将液态金属液滴固定在末端执行器上，通过这种方式能够实现液态金属与待测基底的接触与分离，进而完成对黏附性的评估。

在进行接触角测试时，我们选用了十微米不同尺寸的液滴，并将其放置在不锈钢的不同表面上。如此一来，便能够清晰地观察到接触角存在的差异。实验结果显示，平台上的接触角小于粗糙表面上的接触角。当超速度进一步增大时，接触角可增大至接近180度。该方法的显著优势在于，水的弯月面以及氧化层均不会对接触角的测量产生干扰。

我由衷地感谢团队里的每一位成员，一直以来，大家都坚守在我的实验室。几年前，我们发起了一场意义非凡的会议，旨在为微物体应用领域搭建一个交流与宣传的平台，推动该领域的发展与进步。令人欣喜的是，明年我们将首次把这场活动带到中国举办，由杭州的浙江大学主办。倘若大家感兴趣，我们诚挚地欢迎您参加。

非常感谢主办方给予我这次分享机会。当前，我们的机器人在发展过程中面临着诸多挑战，亟待大家齐心协力、共同攻克。我们不仅要推动机器人在现有领域的应用，更要不断开拓创新，挖掘更多潜在的应用场景。在这个过程中，人的主观能动性起着决定性作用，我们需要发挥智慧、主导方向；而机器的发展则能够极大地提升我们的生活质量，为我们的生活带来更多便利与可能。

再次衷心感谢大家！