沒腿不行：能在水下行走的微型機器人

2020-11-09 木木西裡科技

最新研發出的微型裝置可以作為雷射控制微型機器人的腿。這些裝置能與微電子系統兼容，為自主微型機器人的大規模製造指出了一個方向。

1959年，諾貝爾獎得主、納米技術先驅理察·費曼（Richard Feynman）提出了「可吞食外科醫生」的有趣設想。

也就是說，製造一種可以在血管內移動的微型機器人，去有需要的地方做手術。這一標誌性的未來暢想凸顯出對微米尺度機器人的現代期望：將自主微觀裝置部署到宏觀裝置無法企及的環境中去。不過，構建這類機器人需要克服一系列挑戰：最顯而易見的挑戰是微觀移動裝置的裝配問題。

在《自然》發表的一篇論文中，Miskin等人[1]報告了一種電化學驅動裝置，可以推動雷射控制的微機器人在液體中前進，還可以與微電子元器件輕易整合，構建出完全自主的微型機器人。


設計出能讓微型機器人在液體環境中移動的推進策略有很多挑戰，因為強大的阻力讓機器人無法維持其動量[2]。

為了克服這一挑戰，Miskin等人設計了一種能將能量轉化為運動的微型致動器——當微弱電流通過時，致動器會彎曲和伸展（圖1）。

電流讓周圍溶液中的離子吸附到致動器表面，改變腿部的壓力使其彎曲。值得一提的是，作者採用了製造計算機晶片的納米加工技術來構建這種致動器。

圖1 | 行走的微型機器人。

a，Miskin等人[1]的致動器裝置可以在超低電流下進行可逆扭曲。添加的虛線為增強可視化效果。比例尺為20微米；

b，作者使用致動器作為微型機器人的「腿」，致動器扭曲時腿在前進位置；不扭曲時在後退位置。通過雷射束交替激活腿部前進或後退，機器人就能在水下的崎嶇表面上行走。當前的腿部位置在圖中用實線和圓圈標出，右圖中前進位置使用虛線和圓圈標出，以供參考。比例尺為20微米。

Miskin和同事不僅設計並測試了單個的微致動器，還在此基礎上開發了一款以四個致動器為腿、能在水下崎嶇表面緩慢移動的微型機器人。

機器人的腿與中央本體上的光伏片（太陽能電池）相連。當雷射照在光伏片上，致動器會彎曲和伸直。操作者用雷射照射不同的光伏片，就能彎曲機器人的前腿或後腿，驅動機器人行走。

關於如何替液體中的微粒開發自載推進機制，研究人員已經探索十多年了。通過為這些粒子增添功能片和其他特徵，人們已經研發出了比Miskin等人的裝置更小更快的機器人[3-4]。

那麼，他們的這項新工作特別在哪兒呢？其中的一個關鍵是推進機制效率的提升。

另一大進步在於，作者的致動器具有能集成到微電子電路的巨大潛力。這非常重要，因為符合未來應用場景的微型機器人，不僅能按要求遊動，還能利用自載的傳感器和邏輯電路執行更高級的指令。

Miskin等人研究的另一個有趣之處在於，他們使用了一種全新概念來設計這款微型機器人。

與傳統上為靜態微粒添加推進機制不同，他們將一個原型機器人微型化：一個擁有機械腿的行走機器人，腿部受電子控制。

由於他們使用了與電路板相同的技術打造致動器，原則上，未來機器人的"大腦"（邏輯電路）和腿可以同時列印。

此外，由於這些致動器能用電路中常用的低功率電流進行操縱，傳感器和邏輯元器件就能與致動器無縫集成。

類似的集成可能也適用於其他特定的微電機推進機制，但技術路線還不明朗。

例如自電泳微電機[5-7]也是由可以連接到自載電路板的電流驅動的，但這些機制需要特定的化學環境來工作，且能源到運動的轉化效率也是Miskin等人裝置的100萬之一[8]。

在一般層面上，研究人員提出了兩種策略來克服製造微型機器人所面臨的挑戰。一些原型機配備了與機器分離的動力源和計算/決策部分。由於其使用了遠程能源和認知計算，我們將這類裝置稱為木偶型機器人。Miskin等人的裝置也屬於這一類，因為他們使用外部雷射來進行光電轉換、提供指令。

這類木偶型機器人便於測試基礎功能元件，無需集成動力源和計算電路——這種集成所需的工藝目前尚未完全解決。

實際上，木偶型機器人可能本身也是很有用的技術——用磁場操作的微尺度工具已被證明可以進行眼部手術[9]。但木偶型機器人的主要缺點是，它們必須被能源和信息源「束縛」在有限的範圍內。


第二種策略是構建無需繫繩的全自主裝置。

研究人員已經能通過結合儲能技術，或從環境中獲得能源來構造微型機器人；同時利用自載邏輯電路和傳感器產生受控信號，無需繫繩[10-12]。這種自主性在很多微型機器人的應用中可能大有需要。

目前仍在探索自主裝置的微型化可以進行到哪一步，同時又能通過程序讓它們執行「智能」功能，綜合考慮儲能、計算能力，以及微尺度製備工藝的局限性。

這些局限性會隨技術進步而改善，但機器人在500µm尺寸上能實現的功能，在50um尺度上可能會異常困難，在5µm尺度上可能根本實現不了。

木偶型機器人永遠比全自主機器人看起來更厲害一點，因為在它們身上得以展示的能力，可能要等到很久以後，才能集成到能源和計算資源有限的自主裝置上。

資源的限制使得當前的自主微型機器人需要設計上的權衡：研究人員已經設計出能將儲能或從環境中獲得的能量轉換成機械運動的微粒（例如活性膠體[13]），但可編程性方面還存在著挑戰。

Miskin等人為解決這一問題提供了一條清晰路徑，他們的機器人雖然目前無法自主，但可以作為進一步連接「大腦」和電池的平臺。

帶傳感器和集成電路的無繫繩亞毫米晶片是一個非常活躍的研究領域[10-12]，面向微型機器人的自主編程能力有望很快得到突破。微尺度致動器與亞毫米電路板和傳感器的集成，將會讓我們更加接近費曼當初的設想。

參考文獻：

1. Miskin, M. Z. et al. Nature 584, 557–561 (2020).

2. Deen, W. M. Analysis of Transport Phenomena 2nd edn, Ch. 8, 315–360 (Oxford Univ. Press, 2011).

3. Palagi, S. & Fischer, P. Nature Rev. Mater. 3, 113–124 (2018).

4. Chen, X., Zhou, C. & Wang, W. Chem. Asian J. 14, 2388–2405 (2019).

5. Paxton, W. F. et al. J. Am. Chem. Soc. 128, 14881–14888 (2006).

6. Wang, Y. et al. Langmuir 22, 10451–10456 (2006).

7. Wang, J. et al. Adv. Mater. 29, 1701451 (2017).

8. Wang, W., Chiang, T.-Y., Velegol, D. & Mallouk, T. E. J. Am. Chem. Soc.135, 10557–10565 (2013).

9. Wu, Z. et al. Sci. Adv. 4, eaat4388 (2018).

10. Koman, V. B. et al. Nature Nanotechnol.13, 819–827 (2018).

11. Cortese,A.J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 117, 9173–9179 (2020).

12. Lee, S. et al. J. Microelectromech. Syst. https://doi.org/10.1109/jmems.2020.2999496 (2020).

13. Dey, K. K., Wong, F., Altemose, A. & Sen, A. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 21, 4–13 (2016).


原文以A conceptual advance that gives microrobots legs為標題發表在 2020年8月26日的《自然》新聞觀點版塊

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