微型机电一体化设备的应用前景与技术难点

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　　摘 要：随着我国工业化的深入发展，传统机电一体化行业要实现弯道超车，达到国际领先水平，就要在新领域上实现领先。微型机电一体化是传统机电一体化行业发展的一个新方向，可以被广泛应用于航空航天、集成电路、军事和医疗器械领域，目前已经展现了巨大的前景。但是，想要在短期内实现突破将会面临许多技术难点。本文从微型机电一体化的概念出发，分析了其所面临的光明前景和巨大困难。
　　关键词：机电一体化;微型;前景;技术难点
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.091
　　0 引言
　　 机电一体化的发展水平代表了一个国家的工业实力，我国的机电一体化行业，虽然起步较晚但是发展势头好，从刚改革开放时候的一张白纸，经过近四十年两代人的书写，形成种类齐全并且具备一定的技术实力的机电一体化行业体系。但是目前我国的机电一体化行业水平相对于世界发达国家，例如日本、德国而言还是水平落后，主要存在的问题有产品精密性差、稳定性不足、缺乏创造力等，也正是由于这些原因使我国机电一体化行业一直处在追赶者的状态。要想尽快缩小差距，实现弯道超车的方式之一就是抢占行业新领域的制高点。对于机电一体化行业而言，微型机电一体化设备就是其中新领域之一。同样随着世界和我国工业化进程的不断深入，工业生产和市场需求的多样化程度越来越大，工业生产和市场对机电一体化设备提出诸多的特殊需求，微型机电一体化设备就是其特殊需求之一。未来我国的工业生产和市场中将有大量微型化的机电一体化设备出现，并将会服务于我国航工、军工和民用的各个层面。
　　1 微型机电一体化的概念
　　 目前针对机电一体化的准确统一定义没有公认的标准答案，但是行业中都有一个大概统一的理解——机电一体化设备是集机械工程技术、自动化技术等[1]于一体的现代化自动生产或运行的设备，目前已经被广泛运用到各个生产行业之中。但随着技术的不断发展和人类生产生活面临的新情况对传统机电一体化设备提出了微型化的要求，既微型机电一体化设备。微型机电一体化设备是依赖于微机械技术、软件技术以及微电子技术的发展逐步形成，在此基础上将其同传统机电一体化设备的机械与自动化技术相结合而形成的新型机电一体化设备。微型机电一体化设备是传统机电一体化行业的一个新成果新方向[2]。据国外专家研究表明，目前微型机电一体化设备的尺寸可以达到不足1cm3的体积，未来随着微纳米技术发展，微型机电一体化设备可以伴随其达到微米和纳米的程度。总的来说微型机电一体化设备具有体积小、适用性广、功能性强、成本低、生产效率高、能耗低的优点[3]。
　　2 微型机电一体化应用前景
　　 目前厘米级别的微型机电一体化设备已经广泛被运用到生产当中，初步证明了微型机电一体化设备具有广泛而光明的前景。由于微型机电一体化设备具有前文所述的优势，因而微型机电一体化设备具有被应用在航空航天、集成电路、国防军事和医疗器械领域的巨大潜力。以下也将通过这个四个方面来阐述微型机电一体化设备的巨大潜力和前景。
　　2.1 航空航天领域
　　 航空航天技术正在不断发展进步，其中航天器例如卫星设备也在朝着小型化的方向发展，从之前的一箭一星到现在的一箭多星正是得益于卫星小型化的发展。卫星小型化的发展，对卫星系统中的机电一体化设备提出了微型化的要求，目前最简单常见的例子就是微型电磁阀在卫星系统中的应用。微型电磁阀是厘米级微型机电一体化设备，微型电磁阀的尺寸通常在1-3个立方厘米之間。微型电磁阀的装备使卫星的冷却系统和动力系统得到极大的提升，使空间任务由过去动辄上吨重的卫星来执行转变为整体构造简单、体积小、重量轻而且能耗少，重量只有不到五十千克的小卫星来执行，甚至随着技术的进一步发展将来的空间任务将由微米级别、纳米级别的卫星来执行。例如据报道的纳米卫星采用微型机电一体化技术中的多重集成技术，把机械部件、传感器、执行器、微处理器以及其他电学和光学系统集成于一个极小的几何空间内，形成机电一体化的微型纳米系统。微型机电一体化设备还可以运用于航空航天的其他部分，例如微型航天器太阳能电池板的开闭系统、微型空间探测器的天线调节系统等等。
　　2.2 集成电路领域
　　 微型机电一体化设备的出现也将会为目前的高密度大规模集成电路系统提供巨大帮助。目前的无论是普通的集成电路板还是中央处理器（CPU）都会面临一个如何散热的问题。采用微型机电一体化的散热系统，仅在很小的体积内就将集成电路板和中央处理产生的热量通过传热介质散发到周围环境中，由此可提高集成电路板的安全性，中央处理器的可靠性。例如目前在笔记本电脑中已经运用比较广泛的散热系统，在空间尺寸上还比较大，因而导致笔记本电脑在厚度上要做出牺牲以解决主板和中央处理器的散热问题。随着微型机电一体化技术的发展，将目前笔记本电脑庞大的散热系统缩小成体积仅是一个立方厘米甚至更小，却可以高效运行的微型液冷的机电一体化系统，将极大地减小笔记本电脑的体积，为消费者的生活带来极大便利。
　　2.3 国防军事领域
　　 在国防军事领域中，经常会用小型无人机提供侦查任务，特别是在野外的时候，通过便携式无人机侦查周围的地理地势情况和敌军情况，为我军的军事行动提供有效的情报支撑。但是目前无论是市面上常见的民用无人机设备还是军事无人机设备都是体型较大，在携带上十分不便。在将来随着微型机电一体化设备的发展和成熟，仅有蜂鸟大小的飞行侦查设备将会面世，整个动力系统、控制系统、侦查系统都将融合在仅有的极小空间中，到那时该种微型的机电一体化设备将在我国的军事行动中大放异彩。
　　2.4 医疗器械领域
　　 在医疗器械领域一直都渴望不断出现新的医疗诊断或治疗设备为患者提供服务。但对于许多疑难杂症目前的医疗设备和治疗方案很难解决患者的困难。例如现在很多人会面临血栓的问题，目前的治疗方案不能清除身体一些危险部分的血栓，只能通过保守治疗。针对这个情况有国外科学家提出通过微型的探头深入到血栓位置，然后插入微型导管，探头释放特殊网状物质将血栓套进网后通过导管带出。但是这个方案目前还仅仅是停留在假设和想法阶段，主要的问题就是缺少实现这个方案的医疗设备。在将来，微型机电一体化技术的成熟并运用于医疗器械领域，例如上述的疾病和治疗方案等诸多难题一定会迎刃而解。 　　 上述的几点仅仅是微型机电一体化设备目前可以预见到的最基本应用方向，还有很多我们目前不能预知的巨大需求和前景将会随着微型机电一体化技术的成熟逐渐浮现在我们视野之中。
　　3 微型机电一体化设备目前的技术难题
　　 目前传统的机电一体化技术已经逐渐成熟，也正在朝着新的方向发展，例如智能化、微型化的方向发展。智能化方向主要是将机电一体化设备同互联网技术和大数据相结合，但是在微型化发展方向上还面临许多技术难题，主要有以下几个方面。
　　3.1 加工精度的问题
　　 微型机电一体化设备的尺寸将会是一个厘米或毫米级别，未来甚至会发展到微米纳米级别，其加工精度的要求极高。目前的机械加工技术将难以满足微型机电一体化设备的发展需要。因此传统机电一体化设备向微型化发展时还需要加工制造业的提升作为强力支撑。
　　3.2 独立设备供能和动力问题
　　 将来，微型机电一体化设备必将会经常被独立运用到所需要的地方，设备将需要独立的供能和动力供给系统。本来体积就已经只有毫米级别的微型机电一体化设备如何腾出空间安装供能和动力系统将是亟待解决的问题。目前的电池密度仅为0.2-0.3Wh/g已经是能量密度比较高的储能设备，但是仍难以满足未来微型机电一体化设备的独立供能需求。另外，目前的将电能转化为动能的常见设备是电机，微型电机的发展也将是制约微型机电一体化设备发展的主要因素。
　　3.3 微电子技術的问题
　　 微型机电一体化设备的控制系统也将是在目前的控制系统的基础上进一步微型化，如何仅在几个平方毫米，甚至不到一个平方毫米的面积上实现对微型机电一体化设备的精确控制，将是微型机电一体化和微电子技术发展将会共同面临的挑战和问题。
　　4 总结
　　 总之，随着我国工业化的进一步发展，微型机电一体化将是机电一体化未来的发展方向之一，已经被证明了的巨大发展潜力和市场需求将会催生这一行业的蓬勃发展，但是诸如上述所面临的技术难题还需要本行业和其他行业的工程师门一起逐步攻克。
　　参考文献：
　　[1]齐涛.机械工程中机电一体化的运用[J].电子技术与软件工程，2019（10）：107.
　　[2]韦武彤.机电一体化系统在机械工程中的应用[J].山东工业技术，2019（16）：8.
　　[3]彭紫朋.浅析机电一体化技术的发展和应用方向[J/OL].机电信息，2019（17）：182-183
　　作者简介：苏佳佳（1978-），女，广东揭阳人，博士研究生，讲师，主要研究方向：机电一体化技术、材料加工工程。
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