細胞大小的機器人深入人體,這一聽來科幻的技術最近又有新突破

2020-11-24 騰訊網

微型機器人大軍（版權：Criss Hohmann）

細胞大小的機器人大軍深入人體，在體內隨意遊走，這在幾年前聽起來像極了科幻電影。但如今，這一技術已成為現實，且最近又收穫了新的突破。

撰文｜惠 鑫

責編｜何義均 戴 威

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一直以來，人們希望將電子器件微型化，生產出細胞大小的機器人，但缺乏符合需求的微米級致動器系統，限制了這一目標的實現。

微米級致動器系統需要滿足兩個基本要求：可與半導體處理無縫集成，並可響應標準電子控制信號。 8月26日，《自然》發表的一篇研究推進了微型機器人的發展。康奈爾大學納米科學 Kavli 研究所的 Marc Z.Miskin 及其合作者研究了一類新型電化學致動器（SEA），它們與現有矽電子器件兼容，電壓可控，能夠喚醒機器人，使得它們移動 [1]。

微型或納米機器人的研究已有一段歷史。 2018年，美國麻省理工學院（MIT）開發出細胞大小、並且能夠感知外部環境、儲存數據並執行計算任務的微型機器人，之後又在二維石墨烯材料和電路材料上進行 「全自動射孔」，也就是在材料上打出細小的點（如下圖所示），開發出了一種大規模製造細胞大小機器人的方法 [2]。這種被稱為 「syncells」（合成細胞）的微觀設備，有望用於工業或生物醫學監測。

石墨烯片上的「全自動射孔」。圖源[2]

致動器（actuator）又稱為驅動器，是機器人行走的關鍵。傳統的壓電致動器雖然非常適合毫米級的機器人，但當曲線彎曲變化程度達到微米級時，其縮放比例無法運行 [3-5]，另外散熱效率低下，且由於熱量的快速擴散而難以在小尺寸情況下進行單一處理。導電聚合物微致動器，受到用於微細加工的化學品（溶劑，顯影劑和蝕刻劑）的破壞，很難集成到矽加工環境中。而基於光學、聲學、磁學、熱學或化學的致動器無法響應標準電子控制信號[1]。

釋放前的微型機器人（Marc Z.Miskin）

相比較而言，這個新開發的機器人尺寸小於0.1毫米，微型機器人最大厚度為5微米，寬度和長度尺寸分別為40微米*40微米或40微米*70微米。

雷射脈衝刺激，圖源[1]

這項研究的關鍵創新在於新型電化學致動器（SEA）。它構成了機器人的腿，由納米級的鉑製成，並由標準光刻工藝製造。SEA受到雷射脈衝刺激時，就會彎曲，驅動機器人行走。

分布有機器人的晶片光學圖像。 晶片是從一個四英寸的晶片上切下來的，表面上有大約一百萬個微型機器人。圖源[1]

新型致動器可在低電壓（200毫伏）下從平面彎曲成曲面，而且這一過程可逆，消耗的能量才不到10納瓦，並且與矽加工完全兼容，實現了與半導體工藝無縫集成，使其更容易將電子器件微型化，以生產細胞大小的機器人。 為展示新型電化學致動器的潛力，研究者在4英寸晶圓上創造了一個行走的超百萬數量的微型四腳機器人大軍，意味著可規模化生產的、與矽電子器件兼容的功能性機器人邁出了重要一步。 研究者分析認為，SEA滿足了電控微型機器人致動器的所有要求：曲率半徑小、低壓致動、低功率、持續的力輸出和穩定性 [1]。SEA可用於需要微米級致動器的任何應用中，且任何能夠提供200毫伏電壓和約10納瓦功率的電源都可以充當控制器。就目前而言，這是世界上唯一滿足這些優勢的致動器。

在轉圈的微型機器人。通過改變剛性面板的樣式可以改變機器人的運動。這裡後退相對機器人身體略微旋轉，另機器人繞圈行走。視頻為8倍速。版權：Marc Miskin

作為已知的第一個尺寸小於0.1毫米的機器人，它們由高度穩定的材料製成，能在高酸性環境和超過-73.15攝氏度的溫度變化中生存下來。這樣的機器人足夠小，可以通過皮下針頭注射到生物體內並保持機械性能，可以自主地探索微環境，還能使用局部的感覺輸入和反饋直接與生物系統進行交互，為探索生物環境內的應用帶來了可能。 這些機器人目前功能有限，比如它們比其他遊泳機器人慢，不能感知環境，而且缺乏綜合控制。不過，它們與現有矽技術（CMOS：一種製造大規模集成電路晶片用的技術）的兼容性，使其能夠快速發展更多的功能。此外，研究者估計 [1]，每個微型機器人的製造成本遠低於一美分，為規模化應用降低了成本。 1959年，諾貝爾物理學獎獲得者費曼（Richard Feynman）曾設想，未來的某一天，人類手術將由可以自行在體內進行手術和藥物釋放的微型機器人在人體內來完成。新型電化學致動器技術的突破，或將幫助重新喚醒這一 「曾經的科幻」。

參考連結

[1] Miskin, M.Z., Cortese, A.J., Dorsey, K. et al.2020.Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots. Nature. 584:557–561.

[2] https://news.mit.edu/2018/how-mass-produce-cell-sized-robots-1023

[3] Piazza, G.,Felmetsger,V.,Muralt,P.,Olsson,R.H.III&Ruby,R. 2012.Piezoelectric aluminum nitride thin films for microelectromechanical systems.MRS Bull.37,no.3: 1051–1061.

[4] Sinha,N.etal.2009.Piezoelectric aluminum nitride nano electro mechanical actuators. Appl.Phys. Lett. 95, 053106.

[5] Zaghloul, U. & Piazza, G. 2013.10–25 nm piezoelectric nano-actuators and NEMS switches for millivolt computational logic. In 2013 IEEE 26th Intl Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 233–236.

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