導讀

　　據美國康奈爾大學官網近日報道，該校研究人員領導開發(fā)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，可用激光控制其腿部行走。

　　背景

　　1959年，前康奈爾大學物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）發(fā)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，從機器到計算機芯片再到極小的尺寸。

　　費曼率先提出將微型機器人應用于醫(yī)療的想法，按照他的說法就是“吞下外科醫(yī)生”。這些“外科醫(yī)生”也就是微納機器人。受自然界微生物自由運動啟發(fā)，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(chuàng)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。但由于缺乏合適的微米級致動器系統(tǒng)，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(fā)可使微型機器人在體液中行進的微米級致動器。

　　創(chuàng)新

　　近日，一項由美國康奈爾大學領導的合作創(chuàng)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。

　　這些機器人的尺寸與草履蟲相仿，為利用硅基智能構造更復雜的版本提供了模板。它們可以大規(guī)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后研究員、現(xiàn)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(guī)模生產的微型機器人》（Electronically Integrated, Mass-Manufactured, Microscopic Robots）”于8月26日發(fā)表在《自然》雜志上。

　　技術

　　這款行走的機器人是在科恩與麥克尤恩此前研發(fā)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折紙機器人。

　　這款新型機器人大約5微米厚（一微米等于百萬分之一米），40微米寬，根據不同的用途可在40微米到70微米范圍內調整其整體長度。每個機器人的“大腦”和“身體”都是由硅光伏電路組成，“腿”是由四重電化學致動器制成。

　　這些微型機器人看起來似乎很簡單，但是創(chuàng)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(xiàn)有的半導體技術，使它變得小型化且可發(fā)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(fā)明這些，然后將它們與電子器件結合起來?！?br/>

　　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。由于鉑條超薄，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于膝蓋或腳踝，從而使腿部以受控方式彎曲并產生移動。

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

　　
科恩表示：“雖然這些機器人的功能很原始，行走不快，但它們并不需要太高的計算能力。我們的創(chuàng)新使它們與標準微芯片制造工藝兼容，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?！?/p>

　　盡管技術含量很高，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制成的，所以它可以實現(xiàn)大規(guī)模并行生產：4英寸的硅晶圓上可以容納約100萬個機器人。

　　研究人員正在探索用更復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并重組材料，或者縫合血管，或者一起探測人腦的大片區(qū)域。

　　【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