从电子皮肤到毫克级机器人，一篇文章带你看懂MEMS微机电系统

toutiao

6年 ago

从电子皮肤到毫克级机器人，一篇文章带你看懂MEMS微机电系统

来源：新东方美国研究生留学

MEMS全称Micro Electromechanical System，微型机电系统（以下简称MEMS），是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。MEMS是AI物理实现的基础系统之一。其产业的发展以微传感器和微执行器为代表，不仅与当前大热的AI息息相关，同样也是物联网等新兴领域所依赖的代表性技术。

提到MEMS，绝大多数人仍觉得陌生，但是其实MEMS早已遍布了我们生活的方方面面。MEMS的学科基础涉及机械工程、物理学、自动化系统、生物医药、电子工程、计算机等，并在多个行业均有应用，为可穿戴医疗设备、智能机器人、智能家居系统、军事自动化等领域提供了广阔的发展空间。由于其智能化的特性，MEMS也被称为Smart Matter。

智能家居（图片来源于网络）

在医疗层面，微型机电系统的应用主要可用于诊断、治疗、辅助（如助听器）等领域。由于人体结构的复杂性，许多医疗数据无法直接由医者感知或者通过大型设备来实现实时监测。因此，体积更小、携带轻便的微型机电系统产品在过去20年发展迅速，如医疗助听器、心率调整器、电子假肢等等。

橡胶材料模拟人体皮肤的伸缩和自愈过程

（图片来源于MIT Technology Review）

触摸传感器

（图片来源于Stanford University Bao Research Group）

电子皮肤技术的发展使假肢也能产生并传输触觉。人类的手部有一万七千个触觉传感器，能帮助我们更好地感受物理世界。传统的假肢无法实现对物理世界的精确感知，反而容易出现机械式的断裂和故障。来自斯坦福大学的 Professor Bao 一直致力于电子皮肤的研究，她希望通过电子皮肤包裹假肢来改善这种情况，减轻诸如截肢、烧伤等患者的前期疼痛并增强后期感知。

如上图所示研究的橡胶材料，比皮肤更有弹性，被割伤之后可以自动愈合（切成两半的材料重新愈合不到一分钟），可以拉伸到人体皮肤远不能承受的程度而不会断裂。而触觉传感器是研究过程中的重要组成部分。如上图所示木质假肢集合了大量复杂的MEMS元件，每个指尖都配置了有弹性的触摸传感器，在保持接触时的逼真触感的同时，传感器内的微型电路能够将实时获取的数据传输到位于手掌的电子控制中心。

可穿戴/植入式MEMS（图片来源于网络）

可穿戴或植入式MEMS通过更直接、更简易地方式向使用者传递信息。消费层面的常见产品诸如Apple Watch、小米手环等。如Apple Watch的结构中，可以大致分为处理器、存储单元、通信单元、传感器单元等，这些单元均需要使用微型机电系统。MEMS直接获取使用者的身体数据，并利用其中的人工智能算法进行分析，实现运动状态追踪、心跳速率测量、甚至运动风险的警告等。

苹果手表传感器示意图Sensors for Wearable Electronics & Mobile Healthcare（图片来源于网络）

MEMS眼球追踪技术一—项来自苹果的专利

（图片来源于网络）

MEMS眼球追踪技术是近年来广泛应用于智能化终端的技术之一，该MEMS系统包括摄像头、微型机电系统驱动器和处理器。如下图所示，处理器接收来自外界的图像之后，确认眼睛的位置，并通过MEMS确保相机的视角指向眼睛。

苹果基于MEMS的眼动追踪示意图

（图片来源于网络）

热对流MEMS传感器在无人机螺旋桨运动的抗震性有着完美的表现

（图片来源于网络）

京东一直致力于物流平台的搭建，解决快递的“最后一公里”。无人机送货由来已久，但是最初无人机动辄就是几米长，体积庞大。随着MEMS技术的发展，便携式无人机开始出现在人们的视野中，毫米级别的气压计、加速度计、控制芯片为无人机小型化提供了前提条件。如上图，热对流MEMS传感器优良的抗震性能可以使无人机更好地保持稳定，调整飞行状态，同时减少不必要的损耗，增加无人机的寿命。

名为HAMR-VP的微型机器人，由The Harvard Ambulatory MicroRobot研发（图片来源于Harvard University）

哈佛大学的HAMR-VP是一款动态微型弹跳机器人，适用于微米到厘米级系统。技术上的突破使得它的质量可以减小到270毫克，所占用的体积也只有几块硬币的大小。它的核心传感器和驱动部件均依赖于MEMS。

（图片来源于网络）

根据美国公布的《2016-2045年新兴科技趋势报告》以及最新《2017-2047年新兴科技趋势报告》

保守预测，未来30年内将会有超过1千亿的设备连接在互联网上。这些设备包括了移动设备、可穿戴设备、家用电器、医疗设备、工业探测器、监控摄像头、汽车、智能服装等
它们通过微型机电系统所完成的数据的采集和共享将会给我们的工作和生活带来一场新的信息革命
数据建模表明，未来30年里机器人、自动化、生物医药科学等10个核心领域的发展将最有可能影响全世界

智能化是社会发展的必然趋势。在世界各地，各式各样的创新性智能微机电系统不断被开发和投入应用。为帮助美国研究生申请者进一步了解数MEMS在各个领域的应用，新东方前途出国独家携手哥伦比亚大学 Creative Machines Laboratory导师推出美国远程先导班项目，帮助学员通过跨领域的学习与合作，掌握行业尖端理念与知识，提升留学背景。

美国远程先导班项目介绍