尺寸小於0.1mm機器人登Nature,4英寸矽片容納100萬個

2020-12-25 澎湃新聞

機器之心報導

參與：杜偉、小舟

這款機器人通過使用一種新的微型致動器，實現了在液體中的自由行走。

1959 年，諾貝爾獎獲得者、納米技術界卓有遠見的研究者理察 · 費曼提出：「吞下外科醫生」將是一件有趣的事情，即製造一個微型機器人，該機器人可以在需要的時候在血管中穿梭以進行一些手術治療。這種對未來的標誌性想像突出表現了對微米級機器人技術領域的現代期望：將自動化設備部署在其大型同類產品無法到達的環境中。

但是，這種機器人的構造存在著諸多挑戰，包括如何組裝微型機器裝置方面的困難。

近日，在最新一期的《Nature》雜誌中，賓夕法尼亞大學電子與系統工程系助理教授 Marc Miskin 等人研究出一種電化學驅動設備，該設備能夠推動雷射控制的微型機器人通過液體，並且可以很容易地與微電子組件集成，以構建完全自主的微型機器人。該研究團隊由康奈爾大學的兩位教授 Itai Cohen 和 Paul McEuen 以及 Marc Miskin 共同領導。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9

這款微型機器人包含一個矽光伏材料製成的簡單電路，該電路充當軀幹和大腦的角色，而四個電化學致動器構成了機器人的腿。該微型機器人的厚度大約為 5 微米、寬約 40 微米、長度在 40 至 70 微米之間，體積大致相當於草履蟲等微生物。

這款機器人可以在 200MV 的低電壓和 10nW 的低功率條件下移動，雖然體積很小，但依然保持牢固和魯棒性。此外，這款機器人是由標準光刻工藝製成，所以它們可以實現大規模並行生產，4 英寸的矽片上可以容納約 100 萬個機器人。

首先來看一下這款機器人的動圖展示：

行走中的機器人。

列陣中的機器人。

微型致動器

在設計中，研究者考慮到，為液體環境中移動的微型機器人設計推進策略具有挑戰性，這是因為強大的阻力會阻止微型物體保持動量。所以，為了克服這一困難，Miskin 及其同事設計了微型致動器，它能夠將能量轉換為運動動力。只需施加少量電流，該致動器就可以摺疊和展開。

此外，電流會導致周圍溶液中的離子吸附到致動器表面，從而改變了機器人腿部的應力，進而使其彎曲。研究者使用與製造計算機晶片相同的納米製造技術來構造這些致動器。

下圖給出了行走微型機器人大致的形態：

Miskin 及其同事不僅設計和測試了單個微型致動器，還開發了原型微型機器人。該原型採用 4 個上述致動器作為機器人的腿。，讓它們能夠在液體中緩慢移動。四條腿連接到機器人中央機架上的多個光伏板（太陽能電池）。當操作者將雷射照射在不同的太陽能片上，機器人就會交替彎曲前腿和後腿，以推進機器人移動。

十幾年來，研究人員一直在為液體中的微粒開發機載推進機制（propulsion mechanism）。通過向這類粒子添加功能補丁和其他特性，比這款微型四腳機器人體積更小且速度更快的機器人早已被開發出來。所以，這款機器人的特殊性體現在哪裡呢？

這款機器人的關鍵改進在於推進機制的效率。另外一點改進是這款微型機器人使用的致動器具備與微電子電路集成的巨大潛力。這一點很重要，因為未來的應用不僅要求微型機器人在需要的時候進行遊泳的動作，而且還要藉助機載傳感器和邏輯電路的輸入來執行更高級的指令。

此外，這款微型機器人採用了一種新穎的設計理念。研究者沒有為靜態粒子添加推進機制（propulsion mechanism），而是將原型機器人微型化，最終設計出一款具有電子控制機械腿的行走機器人。由於致動器的構造採用與製作電路板相同的技術，所以未來機器人的「大腦」（即邏輯電路）和腿原則上可以實現同時製作出來。

並且，由於致動器可以通過電子電路中的低功率電流來操作，因此傳感器和邏輯組件可以實現與致動器的無縫集成。

接下來通過幾張圖了解這款微型四腳機器人的技術細節。

技術細節

下圖 1 為電子集成式微型機器人的並行製作流程。

下圖 2 為基於鉑的串聯式彈性致動器（Series Elastic Actuator, SEA）的結構。

下圖 3 為微型機器人的製作和釋放演示。

下圖 4 為微型機器人的初始配置以及運動過程中距離和速度的圖像。

想要直觀地了解這款微型四腳機器人的運動，請戳以下視頻：

參考連結：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9

https://news.cornell.edu/stories/2020/08/laser-jolts-microscopic-electronic-robots-motion

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原標題：《尺寸小於0.1mm，4英寸矽片容納100萬個，康奈爾大學四腳機器人登Nature》

閱讀原文

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