导读

　　据美国康奈尔大学官网近日报道，该校研究人员领导开发出首个含半导体元件的微型机器人。该机器人的尺寸与草履虫相仿，可用激光控制其腿部行走。

　　背景

　　1959年，前康奈尔大学物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）发表了著名的演讲“《在底部还有很大空间》（There’s Plenty of Room at the Bottom）”。在这篇演讲中，他描述了“微缩技术（shrinking technology）”的机遇，从机器到计算机芯片再到极小的尺寸。

　　费曼率先提出将微型机器人应用于医疗的想法，按照他的说法就是“吞下外科医生”。这些“外科医生”也就是微纳机器人。受自然界微生物自由运动启发，人类通过电场、磁场、光场等手段可以有效地驱动这些微纳机器人。微纳机器人在无创手术、靶向药物运输和生物传感检测等领域具有广泛的应用。

　　可重构的微型机器人，由电磁场远程控制，可在人体内运动，进行给药或者手术。（图片来源：EPFL/EPFZ)

　　将电子器件微型化以生产细胞大小的微型机器人，一直是科学家们追求的目标。但由于缺乏合适的微米级致动器系统，这项技术一直受到限制。十多年来，科学家们一直在努力开发可使微型机器人在体液中行进的微米级致动器。

　　创新

　　近日，一项由美国康奈尔大学领导的合作创造出了首个含半导体元件的微型机器人，它由标准的电子信号进行控制，而且能够行走。

　　这些机器人的尺寸与草履虫相仿，为利用硅基智能构造更复杂的版本提供了模板。它们可以大规模生产，有朝一日可以穿越人体的组织和血液。

　　这项合作由康奈尔大学物理系教授伊泰·科恩（Itai Cohen），物理科学教授保罗·麦克尤恩（Paul McEuen）以及他们的前任博士后研究员、现任宾夕法尼亚大学助理教授的马克·米斯金（Marc Miskin）领导。

　　团队的论文“《电子集成、可大规模生产的微型机器人》（Electronically Integrated, Mass-Manufactured, Microscopic Robots）”于8月26日发表在《自然》杂志上。

　　技术

　　这款行走的机器人是在科恩与麦克尤恩此前研发的纳米机器的基础上演变而来的，从微型传感器到石墨烯基折纸机器人。

　　这款新型机器人大约5微米厚（一微米等于百万分之一米），40微米宽，根据不同的用途可在40微米到70微米范围内调整其整体长度。每个机器人的“大脑”和“身体”都是由硅光伏电路组成，“腿”是由四重电化学致动器制成。

　　这些微型机器人看起来似乎很简单，但是创造“腿”却是一项巨大的成就。

　　麦克尤恩表示：“从某种意义上说，从这款机器人的大脑来看，我们只是在利用现有的半导体技术，使它变得小型化且可发布。但腿之前是不存在的，因为没有可供使用的、可通过电气激活的小型致动器。因此，我们必须发明这些，然后将它们与电子器件结合起来。”

　　团队用原子层沉积与光刻技术，通过只有几十个原子厚的铂条构造出了腿，铂条一侧覆盖着一薄层惰性钛。对铂施加正电荷时，周围溶液中带负电荷的离子就被吸收到暴露的铂表面上，以中和电荷。这些离子迫使暴露的铂膨胀，使铂条弯曲。由于铂条超薄，所以材料能够急剧弯曲而不会断裂。为了帮助控制三维肢体运动，研究人员在条带顶部安上了刚性聚合物面板。面板之间的间隙相当于膝盖或脚踝，从而使腿部以受控方式弯曲并产生移动。

　　机器人的前后腿由两组不同的光电池控制，当光电池受到激光照射时，就会分别为前后腿充电。通过在两组光电池之间来回切换激光，研究人员就可以控制机器人行走。

科恩表示：“虽然这些机器人的功能很原始，行走不快，但它们并不需要太高的计算能力。我们的创新使它们与标准微芯片制造工艺兼容，从而为这些微型机器人变得智能化、快速、可量产打开了大门。这实际上只是第一步，表明我们可以在微型机器人上进行电子集成。”

　　尽管技术含量很高，但这款机器人却可以在200毫伏的低电压和10纳瓦的低功率条件下运行。虽然体积很小，但它依然保持强壮坚固。因为这款机器人是通过标准光刻工艺制成的，所以它可以实现大规模并行生产：4英寸的硅晶圆上可以容纳约100万个机器人。

　　研究人员正在探索用更复杂的电子器件和机载计算来改善机器人，这些改善或将使得成群的微型机器人在材料中爬行并重组材料，或者缝合血管，或者一起探测人脑的大片区域。

　　【1】Marc Z. Miskin, Alejandro J. Cortese, Kyle Dorsey, Edward P. Esposito, Michael F. Reynolds, Qingkun Liu, Michael Cao, David A. Muller, Paul L. McEuen, Itai Cohen. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots.Nature, 2020; 584 (7822): 557 DOI: 10.1038/s41586-020-2626-9
【2】https://news.cornell.edu/stories/2020/08/laser-jolts-microscopic-electronic-robots-motion