科学家实现微纳机器人集群协同运动，为机器人大规模应用奠定基础

微纳机器人因其微小的尺寸（通常在 100 微米甚至更小）而备受关注。基于这种尺寸优势，利用半导体工艺能够在一个较大的硅片上制造出上百万个微纳机器人，从而极大地降低了单个器件的成本。

然而不可忽视的是，微小的尺寸也带来了功能上的限制，由于面积有限，难以在单个机器人上集成多个功能模块。因此，如何控制大规模微纳机器人集群成为亟待突破的瓶颈之一。

美国康奈尔大学团队聚焦于这一问题，通过在微纳机器人之间建立信号传递机制，使每个机器人能够感知周围机器人的信息并进行信息交互，从而实现了协同工作。

具体而言，每个机器人都配备了一个与其运动同步的时钟信号。当其时钟信号震荡时，它会向周围的机器人传输信号。周围的机器人感知到信号后，会调整自身的时钟信号，以与发送信号的机器人保持一致。最终，通过这种协调彼此运动步调方的式实现集体时钟信号同步。

在电控微纳机器人领域，此前的研究大多数集中在单个机器人的简单运动控制上。

该论文共同第一作者、康奈尔大学王伟博士（现任西湖大学助理教授）表示，该研究首次证明了通过信息传递，电控微纳机器人能够实现大规模的集群协同运动，并展示了其强大的鲁棒性。

该技术不仅为电控微纳机器人领域提供了新的思路和方法，也为未来大规模微纳机器人集群的应用奠定了技术基础。

该研究中的精准的控制能力，可应用于那些将多个小型机器人模块组合成一个大型机器人（类似自然界的千足虫）。大型机器人在拆分后，每个小型机器人仍能独立工作，类似于蚯蚓被切成数段后仍能独立存活。

更长远地来看，该研究为机器人集群的协同工作奠定了基础。例如，未来如果能够实现无线信号传输，机器人之间将不再需要物理连接线，而是通过小型发光二极管（LED，Light-Emitting Diode）等设备进行信号传递和协同。

此外，研究人员正在尝试在机器人上集成多种实用功能，例如加入可编程电路，并集成温度传感器，应用于检测和精准定位人体中的肿瘤细胞。

王伟表示：“我们将探索让大量微纳机器人同步处理多个目标，比如肿瘤细胞的可能性。通过高效的信号传输，它们有望更有效地完成任务。”

日前，相关论文以《通过局部电子脉冲耦合实现自主微型机器的协调行为》（Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling）为题发表在Science Robotics[1]。

康奈尔大学米拉德·塔哈维（Milad Taghavi）博士担任共同一作兼通讯作者，王伟博士是共同一作。

在另一项工作中，该课题组对微型人造纤毛的流体驱动进行了深入探索。王伟设计了一种微纳机器人腿部机械结构，使其能够通过两个独立的信号进行控制。通过改变这两个信号的转换，实现腿部驱动方向的调整。

“我们利用电压信号控制纤毛运动来产生流场，通过改变电压信号从而随时调控流体的运动方向。”王伟说。

在该团队此前的工作中，尽管在人造纤毛能够驱动流体（DeepTech 此前报道：中国科学家构建微米级人造纤毛超表面，首次将纳米驱动器与电路集成于 300 微米芯片，实现阳光驱动可编程微流控），但无法控制单个纤毛产生流体的运动方向。

在这次的研究中，研究人员进一步改进了纤毛结构的流体驱动能力。通过引入新的自由度，机器人的腿部结构能够更有效地控制流体的方向，最简单的情况是可以控制流体向前、向后或停止流动。

王伟指出，这种设计的优势在于可以将多个腿部结构组成阵列，并且每个腿部都可以独立控制其流体方向。在高集成度的情况下，这种能力为未来将其与集成电路结合，来实现更复杂的功能提供了巨大的潜力。

此外，该技术还可以将微纳机器人集成到传统微流控芯片中，在几十微米的小区域内实现多样化的流体流动模式，从而调控局部的化学环境。研究人员还探索了微纳机器人在温度调控方面的应用，通过结合传感器和控制机制，机器人可以在局部区域感知温度变化并且做出响应，为未来的应用提供了更多可能性。

从应用方向来看，该研究中的微纳机器人在尺度和功能与自然界纤毛的驱动流体功能相似。因此，微纳机器人不仅可以与现有的微流控技术结合，还可以在生物医学领域发挥重要作用。

其未来的潜在应用方向之一是将人造纤毛用于生物医学领域，例如替换或修复受损的自然纤毛，从而在人体或动物体内实现类似的功能。这种生物应用不仅拓展了微纳机器人的使用场景，还可能实现一些目前难以实现的功能。

日前，相关论文以《基于电子驱动的铰链式人工纤毛实现高效双向泵送》（Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping）为题发表在Lab on a Chip，并被选为当期封面 [2]。

王伟博士是第一作者兼通讯作者，康奈尔大学伊泰·科恩（Itai Cohen）教授担任共同通讯作者。

目前，王伟已入职西湖大学成立独立课题组，并担任助理教授，博士生导师，主要研究方向为智能微纳机器人。

他计划在前期工作基础上，继续探索各种微型致动器的性能优化，以开发出性能更加以及有更多应用环境的致动器。另一方面，他还将重点关注微纳机器人在机械和力学方面的应用，尤其是与生物医学相关的场景。

“目前，我正在和西湖大学的老师们进行跨学科合作，通过将集成电路与微型致动器相结合，希望设计出具备更多功能的微型机器人，实现更广泛的应用场景。”王伟说。

参考资料：

1.Milad Taghavi, Wei Wang et al. Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling.Science Robotics9, 96(2024). DOI: 10.1126/scirobotics.adn80

2.Wei Wang et al. Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping.Lab on a Chip24, 4549(2024). DOI: 10.1039/d4lc00513a

3.https://www.westlake.edu.cn/faculty/wei-wang.html

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