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文丨學(xué)術(shù)頭條

8 月 26 日，最新一期《自然》雜志發(fā)布了由康奈爾大學(xué)研究人員創(chuàng)造的首個(gè)含半導(dǎo)體元件的行走微型四腳機(jī)器人，該機(jī)器人尺寸小于 0.1mm（約為人頭發(fā)寬度），可通過(guò)激光控制其腿部行走。

這種微型機(jī)器人大約有 5 微米厚 ( 1 微米是一米的百萬(wàn)分之一 ) 、40 微米寬、40 到 70 微米長(zhǎng)，可由標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制造而成，并能夠進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，一個(gè) 4 英寸的硅片可同時(shí)制造約 100 萬(wàn)個(gè)這種機(jī)器人。

每個(gè)機(jī)器人都由一個(gè)硅光電板制成的簡(jiǎn)單電路組成，其基本功能類似于軀干和大腦，還有四個(gè)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了機(jī)器人的腿。研究人員以不同光伏閃爍激光脈沖來(lái)控制這些機(jī)器人移動(dòng)，每一個(gè)脈沖可以給一只腿充電，通過(guò)在光電板前后切換激光來(lái)控制機(jī)器人行走。

它們?cè)诘碗妷海?00 毫伏）和低功率（10 毫微瓦）條件下就可移動(dòng)。雖然體形微小但十分結(jié)實(shí)，在未來(lái)，這些微型機(jī)器人或許可以穿梭在人體組織和血液中，執(zhí)行外科醫(yī)生的操作，縫合血管，探測(cè)人類大腦等。

本研究的第一作者、康奈爾大學(xué)納米科學(xué) Kavli 研究所 Miskin 表示， 控制一個(gè)微型機(jī)器人就如同控制一個(gè)縮小版的你，它們可以帶我們進(jìn)入各種各樣的微型世界。

數(shù)以千計(jì)的機(jī)器人 大軍

通過(guò)生產(chǎn)微型化電子器件來(lái)制造細(xì)胞大小的機(jī)器人一直是人們追求的目標(biāo)。

早在 1959 年，諾貝爾獎(jiǎng)得主 Richard Feynman 就表示： 讓外科醫(yī)生進(jìn)入身體內(nèi)部（即制造一個(gè)可以通過(guò)血管進(jìn)行手術(shù)的微型機(jī)器人）將會(huì)十分有趣。

這個(gè)對(duì)于未來(lái)醫(yī)療的美好愿景凸顯了將納米級(jí)微型機(jī)器人部署到微觀世界的重要性。然而，這一想法談何容易。

首先，在液體中控制微型機(jī)器人的移動(dòng)十分具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵谝后w中強(qiáng)大的阻力使得微型機(jī)器人無(wú)法保持動(dòng)力，因此該技術(shù)一直受到限制，十幾年來(lái)科學(xué)家一直致力于開(kāi)發(fā)在液體中行進(jìn)的微米級(jí)驅(qū)動(dòng)器。

慶幸的是，Miskin 及其同事采用一些策略來(lái)克服制造微型機(jī)器人的技術(shù)挑戰(zhàn)，通過(guò)利用太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)出了一款微型驅(qū)動(dòng)器，成功克服了這個(gè)問(wèn)題。

當(dāng)激光照射到光電板上時(shí)，機(jī)器人就能行走（來(lái)源：康奈爾大學(xué)）

這些驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了機(jī)器人的腿，它可以將能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)力。當(dāng)給予該裝置極少量的電流時(shí)，它就會(huì)折疊和展開(kāi)。電流可使周圍溶液中的離子吸附到驅(qū)動(dòng)器表面，改變機(jī)器人腿上的力，從而使腿彎曲。

然后，研究人員將這些機(jī)器人腿部與中央底盤(pán)上的幾塊太陽(yáng)能電池相連。當(dāng)研究人員使用激光照射這些太陽(yáng)能電池時(shí)，微型機(jī)器人的腿就可以彎曲和伸直。當(dāng)研究人員使用激光在機(jī)器人前腿和后腿交替照射時(shí)，就可以推動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)。

值得注意的是，這些微型機(jī)器人的尺寸小于 0.1 毫米，一塊 4 英寸的硅片可同時(shí)制造超過(guò) 100 萬(wàn)個(gè)行走微型機(jī)器人。該團(tuán)隊(duì)表示，這是目前已知的第一個(gè)尺寸小于 0.1 毫米的機(jī)器人，激光用于控制驅(qū)動(dòng)。

由于它們是由高度穩(wěn)定的材料制成的，所以很堅(jiān)固，能在高酸性環(huán)境和超過(guò) 200-k 的溫度變化中生存下來(lái)。

這些機(jī)器人和草履蟲(chóng)等微生物差不多大（來(lái)源：康奈爾大學(xué)）

此外，微型機(jī)器人能夠被移液器和注射器安全吸入，并像化學(xué)物質(zhì)一樣通過(guò)皮下針頭注射，由于它們體型微小，因而可以通過(guò)最小型號(hào)的皮下注射針頭，并且在注射后也可維持機(jī)械功能，這樣一個(gè)微型機(jī)器人為探索生物內(nèi)環(huán)境帶來(lái)了可能。

研究人員還將這個(gè)微型機(jī)器人稱為 牽線木偶 ，因?yàn)椴僮鲉T可以通過(guò)激光照射機(jī)器人底盤(pán)上的太陽(yáng)能電池來(lái)提供指令。而它主要的缺點(diǎn)也在于，這些機(jī)器人必須始終與它們的能力和信息源 拴在一起 。

不過(guò)，目前這些微型機(jī)器人功能仍有限，它們不能自動(dòng)行走，移動(dòng)速度比大多數(shù)游泳機(jī)器人慢，且不能感知環(huán)境，缺乏磁引導(dǎo)微型機(jī)器人的控制。

一組微型機(jī)器人 隊(duì)列

盡管如此，這些微型機(jī)器人仍然具有巨大潛力，它們能與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 處理兼容。研究人員目前正在探索使用更復(fù)雜的電子裝置和計(jì)算方法來(lái)改進(jìn)機(jī)器人。

在未來(lái)，這種微型機(jī)器人不僅能在液體中移動(dòng)，還可以使用車載傳感器和邏輯電路輸入更高級(jí)的指令，執(zhí)行更加復(fù)雜的操作，這將使我們離 Feynman 的設(shè)想更進(jìn)一步。

資料來(lái)源：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9

https://news.cornell.edu/stories/2020/08/laser-jolts-microscopic-electronic-robots-motion

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名稱欄目：可行走、可注射入人體、尺寸小于0.1mm的四腳機(jī)器人問(wèn)世
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