微型機器人革命:微若塵埃 智比爬蟲

2021-02-08 CNET科技資訊網

來源 | The New York Times

作者 | Kenneth Chang

編譯 | 科技行者

就像弗蘭肯斯坦的故事一樣，Marc Miskin的機器造物最初同樣一動不動，但卻在突然之間獲得了自由活動的能力。

不過這些機器人的尺寸非常微小，如同一顆灰塵。一塊計算機使用的晶片之上，能夠並排放置成千上萬這種小型機器人。只要我們一聲令下，這些小東西就會行動起來，自由地到處爬行。

賓夕法尼亞大學電氣與系統工程學教授Miskin博士表示，「我們可以使用大家最喜愛的矽電子產品，在上面安裝上肢體，這樣就可以構建起上百萬個這樣的微型機器人。聽起來不可思議？但我們的發展願景就是如此。」

他認為這些微型單元擁有多種用途，且尺寸與一個細胞相仿。它們能夠爬進手機電池當中，清潔接口並恢復其續航能力。它們也可能成為神經科學家眼中的福音，得以鑽入人類大腦以測量神經信號。由於體積小巧，這些一個培養皿能夠容納數百萬個的微型機器人還可用於測試網絡與通信領域的諸多新鮮構思。

▲ 身處草履蟲旁邊的微型機器人。研究人員們設想利用這些微型爬蟲測量人類大腦中的信號。

這項研究最初於今年3月在波士頓召開的美國物理學會會議上提出，也代表著物理學大師理察-費曼在1959年演講內容的最新成果，即《底部仍有足夠的空間（There’s Plenty of Room at the Bottom）》。在那次演講中，費曼先生探討了如何將信息打包成原子級結構，以及分子級機器的變形技術。

在過去的五十年當中，費曼對於信息存儲的預測已經基本實現。Miskin博士表示，「但對於第二個目標，即機器的小型化，我們真的才剛剛開始。」

這些新型機器人所採用的基礎技術，與計算機晶片完全相同。康奈爾大學物理學家Paul McEuen解釋稱，「我們所做的一切，其基本原理都來自上世紀六十年代的矽晶片。製造一塊100微米的矽晶片並沒什麼大不了，真正的突破在於如何在這樣的微觀尺度上製造機器人手臂的外骨骼，也就是執行器。」

在與McEuen博士與另一位康奈爾大學物理學家Itai Cohen的合作研究期間，Miskin博士開發出一種新型技術，能夠將矽與鈦材料疊放在矽片之上。當施加電壓後，鉑金屬會收縮而鈦繼續保持剛性，從而使得原本的平面實現彎折。這種彎折能力即成為驅動機器人肢體的馬達，每個機器人的肢體由大約100個原子組成。

事實上，這一基本設計思路並不新鮮。幾十年以來，加州大學伯克利分校的Kris Pister等研究人員一直在討論「智能塵埃」議題，希望利用這種微波的傳感器報告環境狀況。但在開發實用版本時，為了適應電池的結構，智能塵埃變得不再是塵埃——而更像是智能砂礫。

Miskin博士則通過剔除電池解決了供電難題。相反，他通過向安裝在機器人背面的微型太陽能電池板照射雷射為機器人提供動力。

在評價Miskin博士、McEuen博士及其合作者們的工作成果時，Pister博士表示「我覺得這真的很酷。他們開發出一臺超小型機器人，可以通過雷射照射的方式對其進行控制，這也許會帶來多種有趣的應用方向。」

由於這些機器人採用傳統的矽技術進行製造，因此應該能夠很輕鬆地利用機載傳感器測量溫度或者電脈衝。

Miskin博士指出，當他們發現這臺機器人的運行電壓只有幾分之一伏特，且功率僅為十億分之一瓦時，電氣工程同事們感到難以置信：「「你的意思是，你可以把我們的成果拿走，然後直接給它裝上腳？」「沒錯，就是這樣。」「然後你就可以利用它進行計算試驗，並完成其它各種工作？」人們對此真的感到非常興奮。」

但挑戰仍然存在。對於注入大腦的機器人，雷射顯然無法繼續為其提供動力。（Miskin博士說，在這類場景下磁場可能是比較好的供能選項。）他更希望新的機器人能夠遊泳而非爬行。（對於小型機器，遊泳可能更為困難，因為人類的血液比較粘稠，這就像昆蟲很難在蜂蜜中自行行動一樣。）

然而，Miskin博士仍然非常樂觀，並希望能夠在未來幾年之內拿出可以展示的實用微型產品。

他總結稱，「很多人都會感到好奇，詢問我們到底需要完成多少項創新。而我之所以特別喜歡這個項目，就是因為其中的工作全都是功能性層面的——沒錯，並沒有什麼創新。我們只是找到業已存在的零件，並將它們組合在一起。」

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