研究團隊造出迄今最小自主機器人

近日，來自美國賓夕法尼亞大學和密歇根大學的研究人員制造出迄今最小的完全可編程的自主機器人。這些微型機器人可以在液體中游動，能感知周圍環境，并自主做出反應，且能夠連續工作數月。每個機器的成本僅約一美分。相關研究成果發表于《科學-機器人學》和美國《國家科學院院刊》。

小到可以放在指紋脊線上的微型機器人。圖片來源：賓夕法尼亞大學

在沒有放大鏡的情況下，這些機器人幾乎肉眼看不見，其尺寸大約為200微米×300微米×50微米，意味著比鹽粒還小。由于它們的工作原理與許多活體微生物的運作方式相同，未來或許能幫助醫生監測單個細胞，或協助工程師組裝用于先進制造的微型設備。

與以往的小型機器不同，這些機器人不依賴電線、磁場或外部控制，而是完全由光驅動。其內部的微型計算機使它們能夠遵循預設路徑，探測局部溫度變化，并據此調整自身運動。這使得它們成為首個在微小尺寸下具備真正自主性和可編程性的機器人。

“我們制造出了比先前小一萬倍的自主機器人。”賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院電氣與系統工程助理教授、論文資深作者Marc Miskin說，"這為可編程機器人開啟了一個全新的尺度。"

在過去幾十年里，電子器件的尺寸持續縮小，但機器人領域并未遵循相同的軌跡。根據Miskin的說法，要制造出能在1毫米尺寸以下獨立操作的機器人極其困難。

在日常尺度上，運動由重力和慣性等決定，這些力取決于物體的體積。然而，在微觀尺度下，與表面相關的力占據了主導。阻力和粘性變得極其巨大，極大改變了運動方式。“如果你足夠小，對水的推力就如同在瀝青中推力一樣難以實現。”Miskin解釋道。由于這種物理規律的轉變，傳統機器人設計會失敗。微小的手臂或腿部容易斷裂，并且極難制造。

為克服這些限制，研究人員開發了一種全新的機器人移動方式。這些機器人不彎曲或伸縮，而是產生一個電場，溫和地推動周圍液體中的帶電粒子。隨著這些離子移動，它們會拖曳附近的水分子，從而有效地在機器人周圍的流體中產生運動。"就好像機器人置身于一條流動的河流中。" Miskin 說，"但機器人本身也在促使這條河流流動。"

通過調節這個電場，機器人可以改變方向，遵循復雜的路徑，甚至能在類似魚群的群體中協調它們的運動，其速度可達每秒一個體長。

由于這種游泳方式使用的是沒有活動部件的電極，因此機器人異常堅固耐用。Miskin介紹，它們可以用微量移液器在不同樣品間反復轉移而不會損壞。由LED燈光驅動，這些機器人能夠持續游動數月。

真正的自主性需要的不僅僅是移動。機器人還必須能夠感知環境、做出決策并為自己供能。所有這些組件都必須集成在一塊只有幾分之一毫米大小的芯片上。這個挑戰由密歇根大學David Blaauw的團隊承擔。

Blaauw表示，電源是最大障礙之一。"對電子器件來說，關鍵挑戰在于太陽能電池板非常小，只能產生75 納瓦的功率。這比智能手表的功耗低超過10萬倍。"他說，為使系統工作，團隊設計了專門在極低電壓下運行的電路，將功耗降低了1000倍以上。

空間則是另一個主要限制。太陽能電池板占據了機器人表面的大部分面積，留給計算硬件的空間非常少。為解決這個問題，研究人員重新設計了機器人軟件的運行方式。"我們必須徹底重新思考計算機程序指令。" Blaauw解釋說，"將傳統上需要許多指令才能實現的推進控制，濃縮成一條特殊的指令，從而縮短程序長度，以適應機器人微小的存儲空間。"

目前的機器人只是一個起點，未來版本可能搭載更先進的程序，移動更快，包含更多傳感器，或在更惡劣的環境中工作。研究人員將該系統設計為一個靈活的平臺，結合了穩健的推進方法和可以廉價制造并隨時間調整的電子器件。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu8009