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| 本文作者： 付靜 | 2020-08-27 17:40 |
我們眼前有一個(gè)微米尺度的機(jī)器人，大小和草履蟲差不多，肉眼看不見的那種。
顯微鏡下長這樣，可可愛愛沒有腦袋的它正在受激光的控制在液體中游動(dòng)。
機(jī)器人大軍集合。
那么，要制造這樣小到極致的機(jī)器人，還要讓它順利移動(dòng)，最難的部分是什么？
在這個(gè)問題上，科學(xué)家們的一個(gè)較為一致的答案是：微米級(jí)致動(dòng)器系統(tǒng)（致動(dòng)器可簡單理解為能讓機(jī)器人動(dòng)起來的馬達(dá)）。
這一領(lǐng)域最近迎來了一個(gè)好消息：一組來自美國康奈爾大學(xué) Kavli 生物納米科技研究所、康奈爾大學(xué)原子與固體物理實(shí)驗(yàn)室、賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系、康奈爾大學(xué)應(yīng)用與工程物理系的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種新型的致動(dòng)器，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造了 100 多萬個(gè)微型四腳機(jī)器人，這也是迄今為止首批尺寸小于 0.1 毫米的機(jī)器人。
2020 年 8 月 26 日，該團(tuán)隊(duì)以 Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots（電子集成批量制造微型機(jī)器人）為題的研究成果發(fā)表于知名學(xué)術(shù)期刊《自然》。
在微電子學(xué)領(lǐng)域，摩爾定律的擴(kuò)展為微型機(jī)器人領(lǐng)域帶來了巨大機(jī)遇——電子、磁和光學(xué)系統(tǒng)提供了一個(gè)前所未有的復(fù)雜性高、尺寸小、成本低的組合，可以較為容易地用于小于人類視覺分辨率極限（100 微米）的機(jī)器人。
然而，一個(gè)主要障礙是：不存在與半導(dǎo)體處理無縫集成并響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電子控制信號(hào)的微米級(jí)致動(dòng)器系統(tǒng)。
為克服這一障礙，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型電壓可控電化學(xué)致動(dòng)器，它能在低電壓（200 微伏）、低功率（10 納瓦）下操作，可與硅處理完全兼容。
為彰顯這種新型致動(dòng)器的潛力，研究團(tuán)隊(duì)通過光刻技術(shù)制造了微型機(jī)器人。
每 4 英寸的晶圓就能生產(chǎn) 100 余萬個(gè)機(jī)器人，而每個(gè)機(jī)器人的尺寸也是讓人驚掉下巴——厚約 5 微米、寬約 40 微米、長為 40-70 微米。
這一成就激發(fā)出了驅(qū)動(dòng)器與微電子電路集成的巨大潛力，對(duì)于大規(guī)模制造硅基功能機(jī)器人來說是一個(gè)重要的進(jìn)步。
正因如此，《自然》對(duì)這種微型機(jī)器人的評(píng)價(jià)是：
為過去 50 年的微電子研究打開了新世界的大門。
可受激光控制在液體中游動(dòng)
實(shí)際上，這種制造技術(shù)與芯片一致的機(jī)器人還有一項(xiàng)特殊功能：受激光控制，在液體中游動(dòng)。
據(jù)《自然》報(bào)道，要想設(shè)計(jì)一款在液體環(huán)境中可移動(dòng)的微型機(jī)器人并不容易，原因顯而易見——微米尺度的物體想要前進(jìn)，將面臨強(qiáng)大的阻力。
好在該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的致動(dòng)器派上了用場。
原理是，團(tuán)隊(duì)使用原子層沉積和光刻技術(shù)，用厚度僅為幾十個(gè)原子的鉑條制造了致動(dòng)器，其一側(cè)被一層惰性鈦覆蓋。
研究團(tuán)隊(duì)將四個(gè)致動(dòng)器設(shè)計(jì)成機(jī)器人的四條腿，在對(duì)其施加正電荷時(shí)，帶負(fù)電的離子將從周圍溶液中吸附到暴露的表面上中和電荷，因此鉑會(huì)膨脹產(chǎn)生彎曲，但同時(shí)其具有超薄特性，材料急劇彎曲也不會(huì)斷裂，保證機(jī)器人能在浸沒于水的凹凸不平表面上動(dòng)起來。
為控制機(jī)器人的 3D 肢體運(yùn)動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)還在致動(dòng)器頂部設(shè)計(jì)了剛性聚合物面板，面板之間有一定的間隙，功能就類似人體的膝蓋或腳踝。
而且，向前或向后移動(dòng)的方向不同，四條腿扭轉(zhuǎn)的程度也不同。
不僅如此，機(jī)器人的四條腿連接著位于中部底盤（可以理解為機(jī)器人的軀干）的幾個(gè)光伏貼片（太陽能電池）上。
當(dāng)激光照射在貼片上時(shí)，四條腿也將彎曲、伸直。而通過不同貼片上的閃爍激光脈沖，機(jī)器人受到控制，前后腿就會(huì)交替彎曲，因此開始移動(dòng)。
一定程度上，這種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)對(duì)于其他微電機(jī)的推進(jìn)機(jī)制也有參考價(jià)值。比如，雖然要考慮到特定的化學(xué)環(huán)境、能源轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的效率等等，但自電泳微型電動(dòng)機(jī)也可通過連接到機(jī)載電路的電流供電。
雷鋒網(wǎng)了解到，面對(duì)微型機(jī)器人制造的技術(shù)挑戰(zhàn)，科學(xué)家目前有兩種策略。
第一種是能反映遠(yuǎn)程能量供應(yīng)和認(rèn)知功能的設(shè)計(jì)，它被稱為「牽線木偶」（marionette）。
這種設(shè)計(jì)包含電源，計(jì)算或決策組件與機(jī)器人本身分離。
其優(yōu)勢在于，無需集成機(jī)載電源和計(jì)算電路就可以測試功能組件；而缺點(diǎn)是必須始終將機(jī)器人“束縛”在能量源上。
不難看出，上述微型機(jī)器人正是屬于這一類設(shè)計(jì)，原因在于研究人員是通過照在光伏貼片上的激光來提供指令的。
第二種策略是構(gòu)建完全不受任何束縛的自主設(shè)備。微型機(jī)器人已經(jīng)結(jié)合了能量存儲(chǔ)技術(shù)或從環(huán)境中清除能量的方法，但考慮到能量存儲(chǔ)、計(jì)算能力和小規(guī)模制造方法的局限性，自主設(shè)備在實(shí)現(xiàn)微型化的同時(shí)又不失“智能”的能力，還有待觀察。
雖然微型機(jī)器人未來還有很大的發(fā)展空間，但這項(xiàng)研究的意義無疑是重大的。未來微型機(jī)器人會(huì)的不應(yīng)僅局限于「游泳」，更重要的是通過傳感器和邏輯電路的輸入遵循更為高級(jí)的指令。
引用來源：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2
https://news.cornell.edu/stories/2020/08/laser-jolts-microscopic-electronic-robots-motion
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