微型機(jī)電一體化設(shè)備的應(yīng)用前景與技術(shù)難點(diǎn)

摘 要：隨著我國工業(yè)化的深入發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)電一體化行業(yè)要實(shí)現(xiàn)彎道超車，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，就要在新領(lǐng)域上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先。微型機(jī)電一體化是傳統(tǒng)機(jī)電一體化行業(yè)發(fā)展的一個(gè)新方向，可以被廣泛應(yīng)用于航空航天、集成電路、軍事和醫(yī)療器械領(lǐng)域，目前已經(jīng)展現(xiàn)了巨大的前景。但是，想要在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破將會(huì)面臨許多技術(shù)難點(diǎn)。本文從微型機(jī)電一體化的概念出發(fā)，分析了其所面臨的光明前景和巨大困難。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;微型;前景;技術(shù)難點(diǎn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.091

0 引言

機(jī)電一體化的發(fā)展水平代表了一個(gè)國家的工業(yè)實(shí)力，我國的機(jī)電一體化行業(yè)，雖然起步較晚但是發(fā)展勢頭好，從剛改革開放時(shí)候的一張白紙，經(jīng)過近四十年兩代人的書寫，形成種類齊全并且具備一定的技術(shù)實(shí)力的機(jī)電一體化行業(yè)體系。但是目前我國的機(jī)電一體化行業(yè)水平相對于世界發(fā)達(dá)國家，例如日本、德國而言還是水平落后，主要存在的問題有產(chǎn)品精密性差、穩(wěn)定性不足、缺乏創(chuàng)造力等，也正是由于這些原因使我國機(jī)電一體化行業(yè)一直處在追趕者的狀態(tài)。要想盡快縮小差距，實(shí)現(xiàn)彎道超車的方式之一就是搶占行業(yè)新領(lǐng)域的制高點(diǎn)。對于機(jī)電一體化行業(yè)而言，微型機(jī)電一體化設(shè)備就是其中新領(lǐng)域之一。同樣隨著世界和我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷深入，工業(yè)生產(chǎn)和市場需求的多樣化程度越來越大，工業(yè)生產(chǎn)和市場對機(jī)電一體化設(shè)備提出諸多的特殊需求，微型機(jī)電一體化設(shè)備就是其特殊需求之一。未來我國的工業(yè)生產(chǎn)和市場中將有大量微型化的機(jī)電一體化設(shè)備出現(xiàn)，并將會(huì)服務(wù)于我國航工、軍工和民用的各個(gè)層面。

1 微型機(jī)電一體化的概念

目前針對機(jī)電一體化的準(zhǔn)確統(tǒng)一定義沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)答案，但是行業(yè)中都有一個(gè)大概統(tǒng)一的理解——機(jī)電一體化設(shè)備是集機(jī)械工程技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等[1]于一體的現(xiàn)代化自動(dòng)生產(chǎn)或運(yùn)行的設(shè)備，目前已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到各個(gè)生產(chǎn)行業(yè)之中。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和人類生產(chǎn)生活面臨的新情況對傳統(tǒng)機(jī)電一體化設(shè)備提出了微型化的要求，既微型機(jī)電一體化設(shè)備。微型機(jī)電一體化設(shè)備是依賴于微機(jī)械技術(shù)、軟件技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展逐步形成，在此基礎(chǔ)上將其同傳統(tǒng)機(jī)電一體化設(shè)備的機(jī)械與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合而形成的新型機(jī)電一體化設(shè)備。微型機(jī)電一體化設(shè)備是傳統(tǒng)機(jī)電一體化行業(yè)的一個(gè)新成果新方向[2]。據(jù)國外專家研究表明，目前微型機(jī)電一體化設(shè)備的尺寸可以達(dá)到不足1cm3的體積，未來隨著微納米技術(shù)發(fā)展，微型機(jī)電一體化設(shè)備可以伴隨其達(dá)到微米和納米的程度?？偟膩碚f微型機(jī)電一體化設(shè)備具有體積小、適用性廣、功能性強(qiáng)、成本低、生產(chǎn)效率高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)[3]。

2 微型機(jī)電一體化應(yīng)用前景

目前厘米級別的微型機(jī)電一體化設(shè)備已經(jīng)廣泛被運(yùn)用到生產(chǎn)當(dāng)中，初步證明了微型機(jī)電一體化設(shè)備具有廣泛而光明的前景。由于微型機(jī)電一體化設(shè)備具有前文所述的優(yōu)勢，因而微型機(jī)電一體化設(shè)備具有被應(yīng)用在航空航天、集成電路、國防軍事和醫(yī)療器械領(lǐng)域的巨大潛力。以下也將通過這個(gè)四個(gè)方面來闡述微型機(jī)電一體化設(shè)備的巨大潛力和前景。

2.1 航空航天領(lǐng)域

航空航天技術(shù)正在不斷發(fā)展進(jìn)步，其中航天器例如衛(wèi)星設(shè)備也在朝著小型化的方向發(fā)展，從之前的一箭一星到現(xiàn)在的一箭多星正是得益于衛(wèi)星小型化的發(fā)展。衛(wèi)星小型化的發(fā)展，對衛(wèi)星系統(tǒng)中的機(jī)電一體化設(shè)備提出了微型化的要求，目前最簡單常見的例子就是微型電磁閥在衛(wèi)星系統(tǒng)中的應(yīng)用。微型電磁閥是厘米級微型機(jī)電一體化設(shè)備，微型電磁閥的尺寸通常在1-3個(gè)立方厘米之間。微型電磁閥的裝備使衛(wèi)星的冷卻系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)得到極大的提升，使空間任務(wù)由過去動(dòng)輒上噸重的衛(wèi)星來執(zhí)行轉(zhuǎn)變?yōu)檎w構(gòu)造簡單、體積小、重量輕而且能耗少，重量只有不到五十千克的小衛(wèi)星來執(zhí)行，甚至隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將來的空間任務(wù)將由微米級別、納米級別的衛(wèi)星來執(zhí)行。例如據(jù)報(bào)道的納米衛(wèi)星采用微型機(jī)電一體化技術(shù)中的多重集成技術(shù)，把機(jī)械部件、傳感器、執(zhí)行器、微處理器以及其他電學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)集成于一個(gè)極小的幾何空間內(nèi)，形成機(jī)電一體化的微型納米系統(tǒng)。微型機(jī)電一體化設(shè)備還可以運(yùn)用于航空航天的其他部分，例如微型航天器太陽能電池板的開閉系統(tǒng)、微型空間探測器的天線調(diào)節(jié)系統(tǒng)等等。

2.2 集成電路領(lǐng)域

微型機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)也將會(huì)為目前的高密度大規(guī)模集成電路系統(tǒng)提供巨大幫助。目前的無論是普通的集成電路板還是中央處理器（CPU）都會(huì)面臨一個(gè)如何散熱的問題。采用微型機(jī)電一體化的散熱系統(tǒng)，僅在很小的體積內(nèi)就將集成電路板和中央處理產(chǎn)生的熱量通過傳熱介質(zhì)散發(fā)到周圍環(huán)境中，由此可提高集成電路板的安全性，中央處理器的可靠性。例如目前在筆記本電腦中已經(jīng)運(yùn)用比較廣泛的散熱系統(tǒng)，在空間尺寸上還比較大，因而導(dǎo)致筆記本電腦在厚度上要做出犧牲以解決主板和中央處理器的散熱問題。隨著微型機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，將目前筆記本電腦龐大的散熱系統(tǒng)縮小成體積僅是一個(gè)立方厘米甚至更小，卻可以高效運(yùn)行的微型液冷的機(jī)電一體化系統(tǒng)，將極大地減小筆記本電腦的體積，為消費(fèi)者的生活帶來極大便利。

2.3 國防軍事領(lǐng)域

在國防軍事領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)用小型無人機(jī)提供偵查任務(wù)，特別是在野外的時(shí)候，通過便攜式無人機(jī)偵查周圍的地理地勢情況和敵軍情況，為我軍的軍事行動(dòng)提供有效的情報(bào)支撐。但是目前無論是市面上常見的民用無人機(jī)設(shè)備還是軍事無人機(jī)設(shè)備都是體型較大，在攜帶上十分不便。在將來隨著微型機(jī)電一體化設(shè)備的發(fā)展和成熟，僅有蜂鳥大小的飛行偵查設(shè)備將會(huì)面世，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、偵查系統(tǒng)都將融合在僅有的極小空間中，到那時(shí)該種微型的機(jī)電一體化設(shè)備將在我國的軍事行動(dòng)中大放異彩。

2.4 醫(yī)療器械領(lǐng)域

在醫(yī)療器械領(lǐng)域一直都渴望不斷出現(xiàn)新的醫(yī)療診斷或治療設(shè)備為患者提供服務(wù)。但對于許多疑難雜癥目前的醫(yī)療設(shè)備和治療方案很難解決患者的困難。例如現(xiàn)在很多人會(huì)面臨血栓的問題，目前的治療方案不能清除身體一些危險(xiǎn)部分的血栓，只能通過保守治療。針對這個(gè)情況有國外科學(xué)家提出通過微型的探頭深入到血栓位置，然后插入微型導(dǎo)管，探頭釋放特殊網(wǎng)狀物質(zhì)將血栓套進(jìn)網(wǎng)后通過導(dǎo)管帶出。但是這個(gè)方案目前還僅僅是停留在假設(shè)和想法階段，主要的問題就是缺少實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案的醫(yī)療設(shè)備。在將來，微型機(jī)電一體化技術(shù)的成熟并運(yùn)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域，例如上述的疾病和治療方案等諸多難題一定會(huì)迎刃而解。

上述的幾點(diǎn)僅僅是微型機(jī)電一體化設(shè)備目前可以預(yù)見到的最基本應(yīng)用方向，還有很多我們目前不能預(yù)知的巨大需求和前景將會(huì)隨著微型機(jī)電一體化技術(shù)的成熟逐漸浮現(xiàn)在我們視野之中。

3 微型機(jī)電一體化設(shè)備目前的技術(shù)難題

目前傳統(tǒng)的機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，也正在朝著新的方向發(fā)展，例如智能化、微型化的方向發(fā)展。智能化方向主要是將機(jī)電一體化設(shè)備同互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)相結(jié)合，但是在微型化發(fā)展方向上還面臨許多技術(shù)難題，主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 加工精度的問題

微型機(jī)電一體化設(shè)備的尺寸將會(huì)是一個(gè)厘米或毫米級別，未來甚至?xí)l(fā)展到微米納米級別，其加工精度的要求極高。目前的機(jī)械加工技術(shù)將難以滿足微型機(jī)電一體化設(shè)備的發(fā)展需要。因此傳統(tǒng)機(jī)電一體化設(shè)備向微型化發(fā)展時(shí)還需要加工制造業(yè)的提升作為強(qiáng)力支撐。

3.2 獨(dú)立設(shè)備供能和動(dòng)力問題

將來，微型機(jī)電一體化設(shè)備必將會(huì)經(jīng)常被獨(dú)立運(yùn)用到所需要的地方，設(shè)備將需要獨(dú)立的供能和動(dòng)力供給系統(tǒng)。本來體積就已經(jīng)只有毫米級別的微型機(jī)電一體化設(shè)備如何騰出空間安裝供能和動(dòng)力系統(tǒng)將是亟待解決的問題。目前的電池密度僅為0.2-0.3Wh/g已經(jīng)是能量密度比較高的儲(chǔ)能設(shè)備，但是仍難以滿足未來微型機(jī)電一體化設(shè)備的獨(dú)立供能需求。另外，目前的將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的常見設(shè)備是電機(jī)，微型電機(jī)的發(fā)展也將是制約微型機(jī)電一體化設(shè)備發(fā)展的主要因素。

3.3 微電子技術(shù)的問題

微型機(jī)電一體化設(shè)備的控制系統(tǒng)也將是在目前的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步微型化，如何僅在幾個(gè)平方毫米，甚至不到一個(gè)平方毫米的面積上實(shí)現(xiàn)對微型機(jī)電一體化設(shè)備的精確控制，將是微型機(jī)電一體化和微電子技術(shù)發(fā)展將會(huì)共同面臨的挑戰(zhàn)和問題。

4 總結(jié)

總之，隨著我國工業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展，微型機(jī)電一體化將是機(jī)電一體化未來的發(fā)展方向之一，已經(jīng)被證明了的巨大發(fā)展?jié)摿褪袌鲂枨髮?huì)催生這一行業(yè)的蓬勃發(fā)展，但是諸如上述所面臨的技術(shù)難題還需要本行業(yè)和其他行業(yè)的工程師門一起逐步攻克。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：蘇佳佳（1978-），女，廣東揭陽人，博士研究生，講師，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、材料加工工程。