微型機器人：由雷射驅動，未來可用於顯微外科手術

2020-09-05 環球創新智慧

導讀

據美國康奈爾大學官網近日報導，該校研究人員領導開發出首個含半導體元件的微型機器人。該機器人的尺寸與草履蟲相仿，可用雷射控制其腿部行走。

背景

1959年，前康奈爾大學物理學家理察·費曼（Richard Feynman）發表了著名的演講「《在底部還有很大空間》（There’s Plenty of Room at the Bottom）」。在這篇演講中，他描述了「微縮技術（shrinking technology）」的機遇，從機器到計算機晶片再到極小的尺寸。

微小的加速度計（圖片來源：瑞典皇家理工學院）

費曼率先提出將微型機器人應用於醫療的想法，按照他的說法就是「吞下外科醫生」。這些「外科醫生」也就是微納機器人。受自然界微生物自由運動啟發，人類通過電場、磁場、光場等手段可以有效地驅動這些微納機器人。微納機器人在無創手術、靶向藥物運輸和生物傳感檢測等領域具有廣泛的應用。

可重構的微型機器人，由電磁場遠程控制，可在人體內運動，進行給藥或者手術。（圖片來源：EPFL/EPFZ)

將電子器件微型化以生產細胞大小的微型機器人，一直是科學家們追求的目標。但由於缺乏合適的微米級致動器系統，這項技術一直受到限制。十多年來，科學家們一直在努力開發可使微型機器人在體液中行進的微米級致動器。

創新

近日，一項由美國康奈爾大學領導的合作創造出了首個含半導體元件的微型機器人，它由標準的電子信號進行控制，而且能夠行走。

微型機器人示意圖（圖片來源：康奈爾大學）

這些機器人的尺寸與草履蟲相仿，為利用矽基智能構造更複雜的版本提供了模板。它們可以大規模生產，有朝一日可以穿越人體的組織和血液。

這項合作由康奈爾大學物理系教授伊泰·科恩（Itai Cohen），物理科學教授保羅·麥克尤恩（Paul McEuen）以及他們的前任博士後研究員、現任賓夕法尼亞大學助理教授的馬克·米斯金（Marc Miskin）領導。

團隊的論文「《電子集成、可大規模生產的微型機器人》（Electronically Integrated, Mass-Manufactured, Microscopic Robots）」於8月26日發表在《自然》雜誌上。

技術

這款行走的機器人是在科恩與麥克尤恩此前研發的納米機器的基礎上演變而來的，從微型傳感器到石墨烯基摺紙機器人。

微型傳感器（圖片來源：Alejandro Cortese）


摺紙機器人（圖片來源：Charles Walcott）


這款新型機器人大約5微米厚（一微米等於百萬分之一米），40微米寬，根據不同的用途可在40微米到70微米範圍內調整其整體長度。每個機器人的「大腦」和「身體」都是由矽光伏電路組成，「腿」是由四重電化學致動器製成。

（圖片來源：康奈爾大學）


這些微型機器人看起來似乎很簡單，但是創造「腿」卻是一項巨大的成就。

麥克尤恩表示：「從某種意義上說，從這款機器人的大腦來看，我們只是在利用現有的半導體技術，使它變得小型化且可發布。但腿之前是不存在的，因為沒有可供使用的、可通過電氣激活的小型致動器。因此，我們必須發明這些，然後將它們與電子器件結合起來。」

團隊用原子層沉積與光刻技術，通過只有幾十個原子厚的鉑條構造出了腿，鉑條一側覆蓋著一薄層惰性鈦。對鉑施加正電荷時，周圍溶液中帶負電荷的離子就被吸收到暴露的鉑表面上，以中和電荷。這些離子迫使暴露的鉑膨脹，使鉑條彎曲。由於鉑條超薄，所以材料能夠急劇彎曲而不會斷裂。為了幫助控制三維肢體運動，研究人員在條帶頂部安上了剛性聚合物面板。面板之間的間隙相當於膝蓋或腳踝，從而使腿部以受控方式彎曲並產生移動。

機器人的前後腿由兩組不同的光電池控制，當光電池受到雷射照射時，就會分別為前後腿充電。通過在兩組光電池之間來回切換雷射，研究人員就可以控制機器人行走。

（圖片來源：康奈爾大學）


科恩表示：「雖然這些機器人的功能很原始，行走不快，但它們並不需要太高的計算能力。我們的創新使它們與標準微晶片製造工藝兼容，從而為這些微型機器人變得智能化、快速、可量產打開了大門。這實際上只是第一步，表明我們可以在微型機器人上進行電子集成。」

儘管技術含量很高，但這款機器人卻可以在200毫伏的低電壓和10納瓦的低功率條件下運行。雖然體積很小，但它依然保持強壯堅固。因為這款機器人是通過標準光刻工藝製成的，所以它可以實現大規模並行生產：4英寸的矽晶圓上可以容納約100萬個機器人。

研究人員正在探索用更複雜的電子器件和機載計算來改善機器人，這些改善或將使得成群的微型機器人在材料中爬行並重組材料，或者縫合血管，或者一起探測人腦的大片區域。

關鍵詞

微型機器人、致動器、光伏

參考資料

【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

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