微米级机器人实现自主思考与感知

科学家创造出比盐粒还小且能思考的机器人

某大学和另一所大学的研究人员建造了有史以来最小的、完全可编程的自主机器人。这些微型机器可以在液体中游动，感知周围环境，自主做出反应，连续运行数月，且每个的生产成本仅约一便士。

每个机器人如果不借助放大镜几乎看不见，尺寸大约为200 x 300 x 50微米。这使得它们比一粒盐还要小。由于它们在与许多活体微生物相同的尺度上运作，这些机器人未来可能帮助医生监测单个细胞，或协助工程师组装用于先进制造的微型设备。

这些机器人完全由光驱动，内部包含微型计算机，使它们能够遵循编程路径、检测局部温度变化并相应地调整运动。

该研究成果发表在《Science Robotics》和《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。与以往的微型机器不同，这些机器人不依赖电线、磁场或外部控制。这使它们成为在这个微小尺度上首个真正自主和可编程的机器人。

某机构的电气与系统工程助理教授、论文的资深作者表示：“我们制造出了比之前小一万倍的自主机器人。这为可编程机器人打开了一个全新的尺度。”

为何缩小机器人如此困难

在过去的几十年里，电子设备不断变小，但机器人技术并未遵循同样的轨迹。根据该教授的说法，在尺寸小于一毫米时实现自主性一直是一个未解决的挑战。“建造能在小于一毫米的尺寸下独立运行的机器人极其困难，”他说。“这个领域基本上在这个问题上停滞了40年。”

在日常尺度上，运动由诸如重力和惯性等力塑造，这些力取决于物体的体积。然而，在微观尺寸下，与表面相关的力占据了主导。阻力和粘度变得极其强大，极大地改变了运动的方式。“如果你足够小，推水就像推焦油一样，”该教授说。

由于物理规律的这种转变，传统的机器人设计会失败。微小的手臂或腿容易折断，并且极其难以制造。“非常微小的腿和手臂很容易折断，”教授解释道。“它们也非常难制造。”

为了克服这些限制，研究人员开发了一种全新的机器人移动方式，这种方式顺应了微观世界的物理规律，而不是与之对抗。

微型机器人如何游动

鱼和其他大型游泳者通过向后推水产生向前的运动，这遵循牛顿第三定律。这些微型机器人采取了截然不同的方法。

机器人不是弯曲或伸缩，而是产生一个电场，轻轻地推动周围液体中的带电粒子。当这些离子移动时，它们会拖拽附近的水分子，从而有效地在机器人周围的流体中产生运动。“这就像是机器人置身于一条流动的河流中，”教授说，“但机器人本身也在导致河流流动。”

通过调整这个电场，机器人可以改变方向，遵循复杂的路径，甚至可以在类似鱼群的群体中协调它们的运动。它们的速度可以达到每秒一个身长。

由于这种游泳方法使用电极而没有活动部件，机器人非常耐用。据教授说，它们可以用微量移液器在不同样品间反复转移而不会损坏。由LED发出的光提供动力，这些机器人能够持续游动数月。

将智能集成到微观身体中

真正的自主性需要的不仅仅是运动。机器人还必须能够感知环境、做出决策并为自己提供动力。所有这些组件都必须集成在一块只有几分之一毫米大小的芯片上。这项挑战由某大学的另一个团队承担。

该教授的实验室已经保持着制造世界上最小计算机的记录。当两位教授五年前在某机构的一次报告会上相遇时，他们很快意识到他们的技术是互补的。“我们发现某机构的推进系统和我们微小的电子计算机简直是绝配，”该教授说。尽管如此，将这个想法变成能工作的机器人还需要五年的开发。

最大的障碍之一是动力。“电子设备的关键挑战在于，”教授说，“太阳能电池板非常小，只能产生75纳瓦的功率。这比智能手表消耗的功率少10万倍以上。”为了使系统工作，团队设计了在极低电压下运行的特制电路，将功耗降低了1000倍以上。

空间是另一个主要限制。太阳能电池板占据了机器人表面的大部分，留给计算硬件的空间非常少。为了解决这个问题，研究人员重新设计了机器人的软件工作方式。“我们必须彻底重新思考计算机程序指令，”教授解释说，“将传统上需要许多指令来完成推进控制的任务，压缩成一个单一的、特殊的指令，从而缩短程序长度以适应机器人微小的内存空间。”

能够感知和交流的机器人

这些进展共同催生了研究人员认为是第一个能够进行真正决策的亚毫米级机器人。据他们所知，此前没有人将包含处理器、内存和传感器的完整计算机放入如此小的机器人中。这一成就使得机器人能够感知环境并自主响应。

机器人包含电子温度传感器，可以检测小到三分之一摄氏度的变化。这种能力使它们能够向更温暖的区域移动，或者报告温度值，这些值可以作为细胞活动的指标，提供一种监测单个细胞的方法。

传递这些测量值需要一个创造性的解决方案。“为了报告它们的温度测量结果，我们设计了一种特殊的计算机指令，将某个值（如测得的温度）编码在机器人表演的一个小舞蹈的摆动中，”该教授说。“然后我们通过带有摄像头的显微镜观察这个舞蹈，并从摆动中解码机器人正在对我们说什么。这与蜜蜂相互交流的方式非常相似。”

为机器人提供动力的光也用于对它们进行编程。每个机器人都有一个唯一的地址，允许研究人员向不同的单元上传不同的指令。“这开启了多种可能性，”该教授补充道，“每个机器人在更大的联合任务中可能扮演不同的角色。”

未来微型机器的平台

目前的机器人只是一个起点。未来的版本可能携带更先进的程序，移动更快，包含额外的传感器，或在更恶劣的环境中工作。研究人员将该系统设计为一个灵活的平台，结合了稳健的推进方法和可以廉价制造并随时间调整的电子设备。

“这真的只是第一章，”某机构的教授说。“我们已经证明，你可以将一个大脑、一个传感器和一个电机放入几乎小到看不见的东西里，并让它存活和工作数月。一旦你有了这个基础，你就可以叠加各种智能和功能。它为微观尺度的机器人技术打开了通往全新未来的大门。”

这项研究在某大学工程学院、文理学院以及另一所大学电气工程与计算机科学系进行。资金来自某基金会、某大学校长办公室、某空军科学研究办公室、某陆军研究办公室、某基金会、某基金会和某基金会国家纳米技术协调基础设施计划。FINISHED