世界上最小的自主微型机器人：可运行数月的 200μm 游泳者

机器人与自动化内幕

宾夕法尼亚大学和密歇根大学的研究人员创造了世界上最小的完全可编程的自主机器人：微型游泳机，可以独立感知周围环境并对其做出反应，可以运行数月，每个成本仅一分钱。每个机器人肉眼几乎看不见，尺寸约为 200 x 300 x 50 微米，比一粒盐还要小。这些机器人在许多生物微生物的规模上运行，可以通过监测单个细胞和制造的健康状况，帮助构建微型设备来推进医学发展。

这些机器人由光驱动，携带微型计算机，可以通过编程以复杂的模式移动，感知局部温度，并相应地调整它们的路径。

《科学机器人学》和《美国国家科学院院刊》(PNAS) 中有描述 ，这些机器人的运行无需系绳、磁场或来自外部的类似操纵杆的控制，这使它们成为这种规模的第一个真正自主的、可编程的机器人。

几十年来，电子产品变得越来越小，但机器人却很难跟上步伐。 “建造尺寸小于一毫米的独立操作机器人非常困难，”米斯金说。 “该领域基本上已经被这个问题困扰了 40 年。”

主导人类世界的力量，如重力和惯性，取决于体积。然而，缩小到细胞的大小，与表面积相关的力（如阻力和粘度）就会占据主导地位。 “如果你足够小，推动水就像推动焦油一样，”米斯金说。换句话说，在微观尺度上，移动较大机器人（例如四肢）的策略很少成功。 “非常小的腿和手臂很容易折断，”米斯金说。 “它们也很难建造。”因此，该团队必须设计一种全新的推进系统，该系统能够配合（而不是反对）微观领域运动的独特物理原理。

大型水生生物（例如鱼）通过推动身后的水来移动。由于牛顿第三定律，水对鱼施加了相等且相反的力，推动它前进。相比之下，新机器人根本不弯曲身体。相反，它们产生一个电场，推动周围溶液中的离子。这些离子反过来推动附近的水分子，使机器人身体周围的水充满活力。 “这就好像机器人在一条流动的河流中，”米斯金说，“但机器人也导致河流移动。”

机器人可以调整引起这种效果的电场，使它们能够以复杂的模式移动，甚至以高达每秒一个身体长度的速度以协调的群体移动，就像鱼群一样。

由于产生电场的电极没有移动部件，因此机器人非常耐用。 “你可以使用微量移液器将这些机器人从一个样本反复转移到另一个样本，而不会损坏它们，”米斯金说。通过 LED 发光充电，机器人可以连续游泳数月。

为了实现真正的自主，机器人需要计算机来做出决策，需要电子设备来感知周围环境并控制其推进，需要微型太阳能电池板来为一切供电，所有这些都需要安装在尺寸不到一毫米的芯片上。这就是密歇根大学 David Blaauw 团队发挥作用的地方。

布劳的实验室保持着世界上最小计算机的记录。五年前，当米斯金和布劳在美国国防高级研究计划局 (DARPA) 主办的一场演讲中首次见面时，两人立即意识到他们的技术是完美匹配的。 “我们看到宾夕法尼亚工程公司的推进系统和我们的微型电子计算机是天生一对，”布劳说。尽管如此，双方还是花了五年的时间才交付了第一台工作机器人。

“电子产品面临的主要挑战是，”Blaauw 说，“太阳能电池板很小，只能产生 75 纳瓦的电力。这比智能手表消耗的电力少了 100,000 多倍。”为了以如此小的功率运行机器人的计算机，密歇根团队开发了特殊电路，可以在极低的电压下运行，使计算机的功耗降低1000倍以上。

尽管如此，太阳能电池板仍然占据了机器人的大部分空间。因此，第二个挑战是塞满处理器和内存，以便在剩余的小空间中存储程序。 “我们必须完全重新考虑计算机程序指令，”布劳说，“将传统上需要许多推进控制指令的指令压缩为单个特殊指令，以缩小程序的长度以适应机器人微小的内存空间。”

这些创新使第一个能够真正思考的亚毫米机器人成为可能。据研究人员所知，此前没有人将真正的计算机（处理器、内存和传感器）放入这么小的机器人中。这一突破使这些设备成为第一个能够自我感知和行动的微型机器人。

这些机器人配有电子传感器，可以检测到三分之一摄氏度以内的温度。这使得机器人能够移向温度升高的区域或报告温度（细胞活动的代表），从而使它们能够监测单个细胞的健康状况。

“为了报告它们的温度测量结果，我们设计了一种特殊的计算机指令，可以在机器人表演的小舞蹈的摆动中编码一个值，例如测量的温度，”布劳说。 “然后我们通过带有摄像头的显微镜观察这种舞蹈，并从摆动中解码机器人对我们说的话。这与蜜蜂之间的交流方式非常相似。”

这些机器人通过光脉冲进行编程，同时也为它们提供动力。每个机器人都有一个唯一的地址，研究人员可以在每个机器人上加载不同的程序。 “这开辟了许多可能性，”布劳补充道，“每个机器人都可能在更大的联合任务中扮演不同的角色。”

未来版本的机器人可以存储更复杂的程序、移动得更快、集成新的传感器或在更具挑战性的环境中运行。从本质上讲，当前的设计是一个通用平台：其推进系统与电子设备无缝协作，其电路可以廉价地大规模制造，并且其设计允许添加新功能。

“这实际上只是第一章，”米斯金说。 “我们已经证明，你可以将大脑、传感器和电机放入几乎看不见的东西中，并让它存活并工作数月。一旦你有了这个基础，你就可以叠加各种智能和功能。它为微观机器人技术的全新未来打开了大门。”

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