密歇根大學(xué)官網(wǎng) 圖

美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和密歇根大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研制出世界上最小的全自主機(jī)器人，可通過(guò)編程在液體中進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。這些機(jī)器人尺寸僅為200×300×50微米，比一粒鹽還小，能獨(dú)立感知并響應(yīng)環(huán)境，可連續(xù)運(yùn)行數(shù)月，成本僅需約1美分。該成果發(fā)表于《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》和《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》，標(biāo)志著在亞毫米尺度上首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部控制的全自主編程機(jī)器人。

過(guò)去幾十年，電子設(shè)備持續(xù)微型化，但機(jī)器人的小型化進(jìn)程卻長(zhǎng)期滯后。團(tuán)隊(duì)表示，制造尺寸小于1毫米、能夠獨(dú)立運(yùn)行的機(jī)器人極其復(fù)雜，該領(lǐng)域這一難題已存在約40年。在宏觀世界中主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的力，如重力與慣性，高度依賴于物體的體積。然而，當(dāng)物體縮小到細(xì)胞尺度時(shí)，與表面積相關(guān)的力，如流體阻力和粘滯力，將成為主要影響因素。如果人類能縮小進(jìn)入微觀世界，那推開一滴水就像推開黏稠的瀝青。因此，團(tuán)隊(duì)必須重新設(shè)計(jì)一套推進(jìn)系統(tǒng)，以適應(yīng)微觀尺度下截然不同的物理環(huán)境，而不是與之對(duì)抗。

此次新研發(fā)的微型機(jī)器人由光驅(qū)動(dòng)，搭載微型計(jì)算機(jī)，通過(guò)編程執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，并能感知局部溫度以調(diào)整行動(dòng)路徑。團(tuán)隊(duì)克服了微觀尺度下流體阻力主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的物理挑戰(zhàn)，摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式，轉(zhuǎn)而通過(guò)產(chǎn)生電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)周圍離子，從而推動(dòng)水流實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。這種方法使機(jī)器人無(wú)需活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且壽命長(zhǎng)。

為實(shí)現(xiàn)真正自主，團(tuán)隊(duì)利用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，在極低的功耗下為機(jī)器人集成了處理器、內(nèi)存和傳感器。機(jī)器人能感知1/3攝氏度內(nèi)的溫度變化，并通過(guò)編碼特定動(dòng)作模式對(duì)外傳遞信息，實(shí)現(xiàn)了感知、決策與行動(dòng)的完整閉環(huán)。

團(tuán)隊(duì)指出，該成果為微觀機(jī)器人技術(shù)開辟了新方向，未來(lái)可在此基礎(chǔ)上疊加更多功能，在細(xì)胞健康監(jiān)測(cè)、微納操作等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

【總編輯圈點(diǎn)】

科研人員給比鹽粒還小的機(jī)器人裝上了“微型大腦”，讓它能自己感知環(huán)境變化，獨(dú)立作出決策和行動(dòng)，無(wú)需外部遙控。當(dāng)機(jī)器人足夠小，它運(yùn)動(dòng)時(shí)面臨的力學(xué)環(huán)境也會(huì)發(fā)生變化，于是研究團(tuán)隊(duì)干脆摒棄了馬達(dá)或者齒輪，讓它用自身產(chǎn)生的微弱電場(chǎng)“推開”周圍的水分子來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。這種機(jī)器人成本極低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和使用。它們可以進(jìn)入人體血管和危險(xiǎn)環(huán)境，未來(lái)，成千上萬(wàn)微型機(jī)器人還可以協(xié)同工作，真正成為人類幫手。

（原標(biāo)題為《最小全自主編程機(jī)器人研發(fā)成功，能獨(dú)立感知并響應(yīng)環(huán)境》）