能思考的机器人比盐粒还小
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近日，来自美国宾夕法尼亚大学和密歇根大学的研究人员制造出迄今最小的完全可编程的自主机器人。这些微型机器人可以在液体中游动，能感知周围环境，并自主做出反应，且能够连续工作数月。每个机器的成本仅约一美分。相关研究成果发表于《科学-机器人学》和美国《国家科学院院刊》。
小到可以放在指纹脊线上的微型机器人。图片来源：宾夕法尼亚大学
在没有放大镜的情况下，这些机器人几乎肉眼看不见，其尺寸大约为200微米×300微米×50微米，意味着比盐粒还小。由于它们的工作原理与许多活体微生物的运作方式相同，未来或许能帮助医生监测单个细胞，或协助工程师组装用于先进制造的微型设备。
与以往的小型机器不同，这些机器人不依赖电线、磁场或外部控制，而是完全由光驱动。其内部的微型计算机使它们能够遵循预设路径，探测局部温度变化，并据此调整自身运动。这使得它们成为首个在微小尺寸下具备真正自主性和可编程性的机器人。
“我们制造出了比先前小一万倍的自主机器人。”宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院电气与系统工程助理教授、论文资深作者Marc Miskin说，"这为可编程机器人开启了一个全新的尺度。"
在过去几十年里，电子器件的尺寸持续缩小，但机器人领域并未遵循相同的轨迹。根据Miskin的说法，要制造出能在1毫米尺寸以下独立操作的机器人极其困难。
在日常尺度上，运动由重力和惯性等决定，这些力取决于物体的体积。然而，在微观尺度下，与表面相关的力占据了主导。阻力和粘性变得极其巨大，极大改变了运动方式。“如果你足够小，对水的推力就如同在沥青中推力一样难以实现。”Miskin解释道。由于这种物理规律的转变，传统机器人设计会失败。微小的手臂或腿部容易断裂，并且极难制造。
为克服这些限制，研究人员开发了一种全新的机器人移动方式。这些机器人不弯曲或伸缩，而是产生一个电场，温和地推动周围液体中的带电粒子。随着这些离子移动，它们会拖曳附近的水分子，从而有效地在机器人周围的流体中产生运动。"就好像机器人置身于一条流动的河流中。" Miskin 说，"但机器人本身也在促使这条河流流动。"
通过调节这个电场，机器人可以改变方向，遵循复杂的路径，甚至能在类似鱼群的群体中协调它们的运动，其速度可达每秒一个体长。
由于这种游泳方式使用的是没有活动部件的电极，因此机器人异常坚固耐用。Miskin介绍，它们可以用微量移液器在不同样品间反复转移而不会损坏。由LED灯光驱动，这些机器人能够持续游动数月。
真正的自主性需要的不仅仅是移动。机器人还必须能够感知环境、做出决策并为自己供能。所有这些组件都必须集成在一块只有几分之一毫米大小的芯片上。这个挑战由密歇根大学David Blaauw的团队承担。
Blaauw表示，电源是最大障碍之一。"对电子器件来说，关键挑战在于太阳能电池板非常小，只能产生75 纳瓦的功率。这比智能手表的功耗低超过10万倍。"他说，为使系统工作，团队设计了专门在极低电压下运行的电路，将功耗降低了1000倍以上。
空间则是另一个主要限制。太阳能电池板占据了机器人表面的大部分面积，留给计算硬件的空间非常少。为解决这个问题，研究人员重新设计了机器人软件的运行方式。"我们必须彻底重新思考计算机程序指令。" Blaauw解释说，"将传统上需要许多指令才能实现的推进控制，浓缩成一条特殊的指令，从而缩短程序长度，以适应机器人微小的存储空间。"
目前的机器人只是一个起点，未来版本可能搭载更先进的程序，移动更快，包含更多传感器，或在更恶劣的环境中工作。研究人员将该系统设计为一个灵活的平台，结合了稳健的推进方法和可以廉价制造并随时间调整的电子器件。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu8009
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