张宪民：检测技术是我国制造业的短板
——华南理工大学机械与汽车工程学院院长张宪民教授
- 发布时间：2015-10-21
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张宪民：检测技术是我国制造业的短板
我的演讲题目是“纳米机器人与纳米定位控制器”，刚才席勒教授讲的是宏观的，在整个机器人体系上面既有宏观的，也有微观的。在整个产业链上，比如说在纳米层面上，其实未来它在工业界会起一个非常重要的作用，可能未来对工业的贡献也是巨大的。我介绍一下我们这方面的基本情况和研究情况。
首先介绍一下背景，我们肉眼可以看到的，大概是亚毫米级，我们看到几百个微米的东西，再小我们就看不见了，实际上我们看不见的东西更精彩。我们周围充满微小的颗粒，我们看不见，包括PM2.5，它是客观存在的。
美国的一个特别有名的物理学家谈到，在底层、在微小领域有太多事情可做。这一定会引起工业界足够的重视，他所说的这个东西，指的就是微纳，纳米技术与生物技术、信息技术并列为21世纪的三大科技，广州是科技中心，科学城是广州的科技中心。这三大技术是高技术竞争的制高点，纳米制造和纳米制造相关的，例如纳米机器人是支撑他们走向应用的一个重要基础。这块应该引起产业界、引起各个方面的足够重视。
我们这里说的Nanorobotics（注：纳米机器人），它并不是指机器人的本身是Nanorobotics。它做的事情，它自身的移动精度是纳米级的。基于纳米、微纳，它也是一种生产加工的手段，这里说的就是这种微纳操作。大家对这种常规的操作，就是常规的加工，我们比较熟悉的，像车洗爆膜，还有更小的范围，在雅纳米级里面，还有自组装等设备。Nanorobotics是目前弥补我们原来传统生产的不足，目前这方面我们和德国在合作。
到底可以做什么呢？比如说这里的纳米探管，纳米探管一直是一个非常热的研究领域。纳米探管怎么组装，组装成一个新的结构，纳米探管的检测。前几年，克隆技术非常的火爆，现在大家还在不断的研究，克隆技术的一个重要工作是什么呢？就是不断的做细胞相关的工作，细胞相关的操作也是用了微纳机器人。
在一个特别重要的领域，就是测量领域。比如说大工程电路，线宽、光刻的深度。大工程电路的量产可以到40几个纳米，它怎么检测？所以必须要用到有纳米级精度的定位系统，这些操作系统、机器人系统去做。
这里举一个简单的例子，例如AFM，这个显微镜，大家看这个操作台，右边的操作台，上面有待检测的目标，实际上我要对这个检测目标进行扫描检测。现在显微镜用的非常普及，对样品进行检测的时候，我们要进行全域的扫描，全域的扫描就需要一个纳米精度的扫描器，后才可以检测出结果。现在在生物领域、材料领域、电子制造领域，这样的事情是经常要做的。这是一个扫描电镜，它是怎么工作的。它一定要有一个纳米精度的载物台。
这是一个大工程电路，从研磨板、镜头、硅片，我们在光刻的过程中，不是一蹴而就的，不是一下子就光刻出来的，它需要中途反复多次的换研磨板，这个精度要在几个纳米中间。如果我们做45大工程电路，就需要5纳米的定位。我们的手机里面用的芯片，大部分是大工程电路的制造方式做出来的芯片，实际上这些技术，我们可能不了解，但实际上就在我们身边。
还有我们的光纤对接，像我们这个年龄，我们的父辈、母亲，小时候他们给我们做衣服，要有针有线，把针和线穿在一起。我们两只手的正常定位精度就是几个毫米，现在光纤定位，这个定位精度，光纤里面跑了几百路的信号，它的对接精度是几十个纳米。我还是用两只手，什么手？机械手，微纳操作的机械手来完成纳米级定位操作。这也是一个高技术，这里面一定有丰厚的利润。现在类似的光纤对接，等等相关的类似产业一定是一个很大的产业。我想未来我们的科学城，未来广州应该有相应的企业来承担这样的事情，不仅仅是做一般的工业机器人。
目前，我们国家很多的制造技术短板是检测技术不行，检测装备不完善。往往检测装备对精度有更高的要求，大家对这样的事情要做测试的时候，你想想我们的工具，我们纳米级的机器人，有时候往往要用几十甚至几百个，一起来协同操作。我们宏观的、正常的机器人操作是一样的。但是到微观里面操作，往往这样的事情就需要非常高的精度。高精度就意味着它一定有高附加值，目前我们的机器人上了很多，都做传统机器人，其实这里面的利润是越来越薄了。如果我们想再往前踏一步，我们就必须到相应的这些领域里面试水。
德国做的用于微纳测试的机器人，它的精度到了0.25个纳米。这就是为什么德国人赚了很多钱，它总是在喝头啖汤，未来我们的广州科学城能不能有几个企业喝头啖汤。这是我们和德国一所大学在合作，我们希望在扫描电镜联合运用做微纳操作的事情，这也欢迎未来有朋友到我们实验室去参观。
稍微说一下我们的实验室，前面我们说的都有涉猎。我们这个实验室叫PEMT，我们大概做几件事情？我们学院跟广州机械科学研究院共同在做一个工业机器人创新支撑平台，这个创新支撑平台，我们做三件事情。件事情是做共性技术；另外一个事情是做检测，现在我们为工业界服务，这些机器人该怎么检测？现在我们马上开始在做一个标准，就是机器人的可靠性检测标准。第三件事情是做培训。我感到现在很多企业界的朋友，实际上对工业机器人的认识并不是很深刻。有些老板一听到机器人换人都非常的激动，是啊，把人换成机器人，又好管理，又稳定。但是有些事情不一定适合机器人做，有些企业界的朋友往往从一个很大的希望，很快就收获一个很大的失望。实际上这对产业的良性发展不是一件好事情，所以我们就做了一个培训中心。现在培训中心已经运行非常良好，而且有规模。我们是国内国外的机器人都有，我们有普卡的，ABB的，典型的机器人，我们都有，给大家做案例培训，也欢迎大家去看一看。
我们做微纳机器人，它的技术是什么呢？它很多方面颠覆了我们的设计方法，所以我们同时做一些设计方法的研究。我们目前主要做的是拓扑油画的，把拓扑油画的技术用到机器人设计上面。与工业界结合，做成装配。基于丝网印刷的相应配套，包括太阳能、光伏太阳能生产设备，电路板无铅检验设备。
这是我们的实验室一部分场景和设备，我介绍一下，我们怎么做这个微纳精密定位系统。我们现在是用一些柔顺机构的思想。就是把我们传统的机器人，机构里面的那些脚链去掉了。传统的机器人，比如说几个关节，那几个地方的关节间隙，无论是滑动轴承和滚动轴承，这个间隙都是不可避免的。你要达到纳米级别是很难做到的，我们就用柔顺机构，这样就可以做到纳米级的精度。这里不可以展开说，未来有机会到我们实验室，我再详细介绍。
这是我们实验室做的事情，目前微纳精度方面，我们可以做到1个纳米左右的精度。这是我们的实验，我们走了一个50微米的园，定位跟踪精度是怎样的？比如说我们的速度，假如是4微米每秒的话，我们的精度可以到达2.9的纳米，如果速度更快的话，我们的精度就可以到达1个纳米以下。
这里面有一些核心的东西，技术上的东西，我们在用topology的技术，这里举一个例子，未来可能会颠覆你的产品设计方案方法。这是一个反执行机构，通过拓扑油画，你只是给我这块设计，指定这边是输入，指定那边是输出。用这套方法就把设计做出来了，下面就是我们实验室做出来的。
现在拓扑油画可以跟3D打印有机结合，目前我们和3D打印实现无缝衔接。通过测试，我们发现比传统的方法还要好，这个研究论文昨天刚在行内一个期刊上面发表了。我们还想做一个事情，希望未来可以跟企业家合作。目前微纳操作里面，这是一个比较大的市场，但是微纳操作里面的操作系统，目前国内没有人生产，基本上都是买德国的东西。目前国家有一个重大的研究计划，我们在里面承担一个重要的项目，就是专门做微纳系统的。比如说这是SEM系统，目前我们的理想是在这个里面的微纳操作可以达到1个纳米以内，可以满足相应市场的需求，这样产业化的前景会非常好，希望大家与我们一起合作。