世界最小自主微机器人：200微米游泳者可运行数月

Robotics & Automation INSIDER

一枚美分硬币上的微机器人，展示尺度。（图片：Michael Simari，密歇根大学）

宾夕法尼亚大学和密歇根大学研究人员创造世界最小的全可编程、自主机器人：微观游泳机器，能独立感知和响应周围环境、运行数月、成本仅一美分。肉眼几不可见，每个机器人约200×300×50微米，小于盐粒。在生物微生物尺度运行，这些机器人可推进医学监测单个细胞健康、制造业协助构建微尺度器件。

光驱动，机器人携带微型计算机，可编程以复杂模式移动、感知局部温度并相应调整路径。

发表在《Science Robotics》和《美国国家科学院院刊》（PNAS），机器人无系绳、磁场或外部操纵杆控制运行，使其成为该尺度首个真正自主、可编程机器人。

几十年来电子器件不断缩小，但机器人难以跟上。“在一毫米以下尺寸构建独立运行的机器人极其困难，”Miskin说。“该领域本质上卡在这个问题40年。”

主导人类世界的力如重力和惯性取决于体积。缩小到细胞大小，表面积相关力如阻力和粘性接管。“如果你足够小，推水像推沥青，”Miskin说。换言之，微观尺度下，移动大型机器人的策略如肢体很少成功。“极微小的腿和手臂易断，”Miskin说。“也很难制造。”所以团队必须设计全新推进系统，顺应而非对抗微观运动独特物理。

大型水生生物如鱼通过推后方水移动。牛顿第三定律下，水对鱼施加等大反向力推进。新机器人则完全不弯曲身体。而是产生电场推动周围溶液离子。这些离子推动附近水分子，激活机器人周围水体。“仿佛机器人在流动河流中，”Miskin说，“但机器人也在引起河流流动。”

机器人可调节产生效果的电场，允许复杂模式移动甚至协同群体旅行，像鱼群一样，速度达每秒一身长。

因产生电场的电极无运动部件，机器人极其耐用。“可反复用微量移液管转移这些机器人不损坏，”Miskin说。LED光辉充电，机器人可持续游泳数月。

要真正自主，机器人需计算机决策、电子感知环境控制推进、微型太阳能电池供电，所有需装入不足一毫米芯片。这是David Blaauw团队在密歇根大学发挥作用的地方。

Blaauw实验室保持世界最小计算机记录。五年前Miskin和Blaauw在DARPA主办演讲会面，立即意识到技术完美匹配。“我们看到宾大工程推进系统和我们微型电子计算机简直天造地设，”Blaauw说。仍耗费五年双方努力交付首个工作机器人。

“电子关键挑战，”Blaauw说，“是太阳能电池微小仅产生75纳瓦功率。比智能手表消耗低10万倍以上。”为在如此低功耗运行机器人计算机，密歇根团队开发特殊电路在极低电压运行，将计算机功耗降低1000倍以上。

仍太阳能电池占据机器人大部分空间。第二挑战是将处理器和存储程序的内存塞入剩余微小空间。“我们必须完全重新思考计算机程序指令，”Blaauw说，“将常规需要许多指令的推进控制压缩为单一特殊指令，缩短程序长度以适应机器人微小内存空间。”

这些创新使首个亚毫米能真正思考的机器人成为可能。据研究人员所知，无人曾将真正计算机——处理器、内存、传感器——放入如此小机器人。这一突破使这些设备成为首个能自我感知和行动的微观机器人。

机器人有电子传感器可检测温度至三分之一摄氏度精度。这让机器人向温度升高区域移动或报告温度——细胞活动代理——从而监测单个细胞健康。

“为报告温度测量，我们设计特殊计算机指令将测量值如温度编码在机器人小舞蹈的摆动中，”Blaauw说。“我们用显微镜摄像头观察这舞蹈并从摆动解码机器人告诉我们的内容。非常类似蜜蜂互相沟通。”

机器人通过也为其供电的光脉冲编程。每个机器人有唯一地址允许研究者加载不同程序。“这开启诸多可能性，”Blaauw补充，“每个机器人潜在在更大联合任务中扮演不同角色。”

未来版本机器人可存储更复杂程序、移动更快、集成新传感器或在更具挑战环境运行。本质上，当前设计是通用平台：推进系统与电子无缝配合、电路可廉价规模化制造、设计允许添加新能力。

“这真正是第一章，”Miskin说。“我们展示了能把大脑、传感器和马达塞进几乎看不见的东西里，让它存活工作数月。有了这基础，可叠加各种智能和功能。为微观机器人打开全新未来之门。”

来源