比盐粒还小，科学家研发出世界上最小的自主机器人

IT之家 12 月 29 日消息，纳米机器人曾一度是科幻作家和《杀出重围》《合金装备》这类电子游戏中的遥远幻想。然而，近年来微型化技术的进步正让这些看似荒诞的场景逐步贴近现实。不久的将来，我们或许就能看到可在人体内部进行治疗，或是完成那些宏观尺度下难以实现的任务的微型机器人。

宾夕法尼亚大学与密歇根大学的联合研究取得了一项突破，工程师们设计出了迄今为止最小的完全可编程自主机器人，其尺寸小到足以在生物细胞层面运作。每个机器人的体积约为 200×300×50 微米，比一粒盐还要小，生产成本仅需约 1 美分。尽管体型微小，这些设备却能在无需任何线缆、磁场或外部控制器的情况下，实现移动、感知、运算并对周围环境做出响应。

宾夕法尼亚大学电气与系统工程学助理教授马克・米斯金向 Science Alert 透露，这类自主机器人的体积比现有微型机器人小了一万倍。“这为可编程机器人开辟了一个全新的尺度领域。”米斯金表示。

研究人员近期在《科学・机器人学》和《美国国家科学院院刊》上发表了相关成果，他们设想这类机器人的应用场景十分广泛，从追踪单细胞的健康状态，到协助制造微型设备都能发挥作用。由于这些机器人的尺寸与许多微生物处于同一量级，未来它们或许能在传统机器人难以触及的组织环境或微型生产线中自如活动。

据IT之家了解，将机器人缩小至亚毫米级别会带来新的物理限制，在这个尺度下，惯性和重力的影响会让位于阻力、黏性等表面力。传统机械肢体在这种环境下极易损坏，或是无法产生有效运动，这就迫使研究团队重新思考微观尺度下的驱动方式。

“当机器人小到一定程度时，在水中行进就如同在焦油里穿行。”米斯金说道。

该研究团队研发出了一种无需活动部件的新型驱动系统。与依靠微型肢体或桨叶不同，每个机器人都能通过感应电场来操控周围液体中的离子，这些离子继而推动附近的水分子，从而有效带动机器人在流体中移动。

“这就好比机器人置身于一条流动的河流之中。”米斯金解释道。借助这种方式，机器人能够沿着复杂轨迹行进，还能像鱼群一样协同行动，移动速度可达每秒约一个自身长度。由于不存在活动部件，这种设计的机械稳定性极强，米斯金指出，研究人员可以反复将机器人在不同样本间转移，而不会对其造成损伤。仅需一个简单的 LED 灯就能为机器人供能，且它们的续航时间可达数月之久。

实现物理运动只是挑战的一半。为了打造具备自主行动能力的机器人，宾大团队与密歇根大学戴维・布劳的研究小组展开了合作，后者因研发出全球最小的计算机而闻名。这次合作源于五年前美国国防高级研究计划局的一次会议，当时两位研究者发现彼此的技术具有很强的互补性。要在如此微小的设备中集成计算功能，必须依赖超高能效的电子元件，每个机器人的太阳能电池板仅能产生 75 纳瓦的电能，这一功率比智能手表低了十万倍以上。

布劳介绍，他的团队研发出了可在极低电压下运行的电路，将计算机的功耗降低了一千多倍。即便如此，太阳能电池板依然占据了机器人表面的绝大部分空间，留给处理器和存储器的空间所剩无几。最终，研究团队成功打造出一种全集成设备，在数百微米的结构内，同时集成了处理器、存储器、传感器和驱动系统。这个微型计算机能让机器人以约三分之一摄氏度的精度感知温度，并做出相应反应。例如，它可以追踪那些标志着生物活动的热梯度，或是实时反馈环境数据。

研究人员通过机器人的运动来与其进行“交流”。布劳的团队将测量到的温度等数据，编码为机器人的物理动作。

“我们设计了一种特殊的计算机指令，能将测量到的温度这类数值，转化为机器人的一组小幅摆动动作。”他说，“随后我们通过显微镜和相机观察这些动作，再从摆动模式中解码出机器人向我们传递的信息。这个过程和蜜蜂之间的交流方式十分相似。”

研究人员可以通过特定的光脉冲，分别为每个机器人供能和编程。这种设计架构能够让研究人员向一个机器人群体中的不同个体分配独特指令，从而使它们在协同任务中各司其职。

在米斯金和布劳看来，当前的设计只是一个起点，而非终点。这种兼具机械结构简洁、电子元件高效、制造工艺可规模化等优势的平台，有望在所有需要分布式微观智能的领域发挥作用。米斯金将这项研究称为朝着赋予机器人更多智能与功能迈出的第一步，证明了这种微型全功能机器人不仅能稳定运行数月之久，更为微观机器人技术的未来发展打开了一扇全新的大门。