血管里上班的「纳米机器人」有了原型

机器之心报道

编辑：泽南、张倩

这种机器人比蚂蚁的脑袋还小，却已经可以自主工作了。

在有关未来科技的展望中，除了虚拟世界、基因工程跟核聚变，人们还会想象可以在血管里运行、帮你治病的纳米机器人。科学家在这一领域面临的挑战并不比其他目标更小，但如今，已有人制造出了原型机：

康奈尔大学的微型机器人。

这台原型机来自康奈尔大学，直径在 100 到 250 微米之间，已经小到可以待在人类的头发上，而且可以自行移动，只需要光作为电源。

这项研究发表在了最近一期科学杂志子刊《Science Robotics》上。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abq2296

几个月前，我们见证了可以在一分钱边缘运动的小型机器——把它称作机器人有些勉强，因为它需要通过反复加热和冷却，让腿膨胀和收缩来运动。

实际上，康奈尔大学的新机器人放到蚂蚁旁边都显得很小。它也更接近于我们认为的机器人，因为它是移动电子机器，与几乎所有以前的系统不同，它不需要电线。

这个比蚂蚁还小得多的机器人由三个主要系统组成：一个接受光作为动力的光伏电池，一个用于控制和引导动力的微型集成电路，以及一组用于自行移动的铰链腿。

将这台机器称为「自主」可能有点夸张，但从不需要人们主动发出指令信号（例如协调它们运动的脉冲激光或无线电信号）这一角度来看，这么说也没有什么问题。它可以自主移动，因为它只需要动力而不是智能，这就非常简单了。

研究者们还构建了一些其他设计来展示如何使用不同的步态，并且还制造了一个稍大、功能更强大的「dogbot」，后者可以接受一个命令——实现快慢两档移动速度。由于机器人的智能直接受到电子设备规模的限制，它们无法适应更复杂的逻辑。

( A ) 微型机器人和蚂蚁的体型对比。（B）机器人的放大视图。该机器人由三个主要部分组成：用于控制机器人的 IC，让机器人行走的腿以及用于为腿和电路供电的 PV。（C）机器人一条腿的放大图像。它由 SiO2 和 SEA 的刚性面板、提供运动的活动铰链组成。（D）带有标记的主要电路块的电路的 CAD 布局图像。（E）微型机器人控制电路的光学显微镜图像。比例尺，20 μm。该电路有八个输出，可提供电压幅度约为 0.6 V 的相移方波。这些方波的频率可以通过硬接线电路的「频率选择」来设置。PTAT，与绝对温度成正比。

值得一提的是，研究团队使用的芯片制程是 180 纳米，相比小于 10 纳米的现代先进制程，这个工艺较为落后，这也意味着未来继续缩小电路，或提升机器人智能的可能性。

这项研究由博士后研究员 Michael Reynolds 领导，建立在康奈尔大学之前的研究成果基础之上。此前，康奈尔大学创造了最小的行走机器人的世界纪录，但这个最新的机器人要聪明得多。Reynolds 开发的这个机器人通过电子电路控制。这就消除了机器人对外部控制机制（如其他微型机器人所需的热或磁）的需要。Reynolds 说，那些（需要热或磁控制的）机器人更像提线木偶，而不是真正的机器人。

Reynolds 开发的机器人的大脑是一个简单的互补金属氧化物半导体（CMOS）时钟电路。它只包含了 1000 个晶体管，这与当今全尺寸计算机处理器的数十亿个晶体管相比简直不值一提。该电路的目的是产生相移方波（phase-shifted square waves），控制机器人的行走步态，当集成的光伏电池暴露在光下时，这个过程会自动完成。该团队测试了三种不同的设计，分别有两条腿、四条腿和六条腿。它们中最快的可以以每秒 10 微米的速度行走，在微观尺度中已经是非常快的速度了。

这些电路只有 15 微米高，不仅构成了机器人的大脑，还构成了机器人的主体。它们采用了 13 层光刻技术来蚀刻大脑本身，以及作为机器人腿的铂基致动器。Reynolds 和前博士后研究员 Alejandro Cortese 在几年前设计了第一个 CMOS 大脑，然后由商业代工厂 XFAB 制造。最终，Reynolds 等人做出来的这个机器人比现有的其他 CMOS 电子机器人小 1 万倍左右。

电路本身并不是真正的创新。康奈尔大学物理学教授 Itai Cohen 解释说，降低芯片的功耗是使这些机器人移动的关键。低电压和低电流的要求使得致动器在这种规模上是可行的，而这在过去是不可能的。Reynolds 设计的微型机器人是可扩展的，因此其他研究人员可以添加传感器或控制机制。最终，人们可能会与机器人交流，并发出指令，然后集成电路执行指令。

这个微型机器人的应用范围很广，从环境清洁到药物的靶向输送、再到细胞的监测和显微手术。在这些应用中，该微型机器人用于感知和响应环境并自主操作的板载控制系统都提供了显著的优势，为智能微型机器人奠定了基础。