Nature比頭發絲還小的微型機器人大軍正在走來

Nature：比頭發絲還小的微型“機器人大軍”正在走來

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如果你能吞下外科醫生，那麼手術會變得很有意思。

1959年，理查德·費曼（Richard Feynman），諾貝爾獎獲得者和納米技術幻想傢，在他的最初設想中，分子機器的重要用途之一就是利用納米機器人手術和局部給藥。“雖然這是一個非常大膽的想法，但如果你能吞下外科醫生，那麼手術會變得很有意思，”理查德·費曼描繪道，隻要把這個外科醫生放進人體的血液中，他就能夠抵達心臟，並且查看哪裡出瞭問題，然後他會拿出小刀，把不好的地方，比如腫瘤部位切除。

這種對未來微型機器人的典型想象表明瞭現代人將自動設備部署在微觀環境中的希冀。然而，制作微型機器人存在許多障礙。其中主要的一個障礙是：沒有微米級的驅動系統能夠與半導體加工無縫集成，並對標準電子控制信號做出響應。

近日，國際頂尖學術期刊Nature發表瞭來自康奈爾大學的一篇題為：Electronically integrated, mass-manufactured,microscopic robots的研究論文。

研究團隊開發瞭一種新的電化學驅動設備（SEAs）來克服制作微型機器人的障礙，它可以在低電壓（200微伏）、低功率（10毫瓦）下工作，並且與矽工藝完全兼容。這種設備能夠推動由激光控制的微型機器人通過液體，並且很容易與微電子組件集成，來構建完全自動的微型機器人。

這種微型機器人尺寸小於 0.1mm（約為人頭發寬度），在未來，這些微型機器人或許可以穿梭在人體組織和血液中，執行外科醫生的操作，縫合血管，探測人類大腦等。

01最前延新開發的電化學驅動設備（SEAs）

研究團隊新開發的電化學驅動設備（SEAs）由納米級厚度的鉑制成，並使用標準半導體技術制造。他們用原子層沉積法制造出7納米厚的鉑層，在暴露的表面覆蓋一層非活性材料，石墨烯或濺射鈦，然後用光刻技術將其圖案化。釋放後，裝置中的預應力和鉑層與封蓋層之間的表面應力有所差異，使得SEAs彎曲。

電化學驅動吸附引起的SEAs彎曲示意圖

這種新開發的電化學驅動設備克服瞭微型機器人在液體環境中的阻力。這種驅動設備能將能量轉換為運動，當施加少量電流時，SEAs會折疊和展開。電流使周圍溶液中的離子吸附到執行器的表面，從而改變瞭支腿中的壓力，從而使其彎曲。並且，使用與制造計算機芯片相同的納米制造技術就能用來制造這些驅動設備。

而且，這些驅動設備可多次重復循環，而且循環數百次都不會退化。

這種機器人由兩個主要部分組成：一個是包含標準矽電子元件的身體，另一個是由他們新開發的驅動設備（SEAs）和面板組成的腿，這些驅動設備和面板構成瞭腿的三維結構。面板控制著腿的折疊形狀，而驅動設備則產生動力。這種情況下的電子器件是由矽光電和金屬互連線構成的簡單電路。

微型機器人的光學圖像

支腿連接到機器人中央面板上的多個光伏板（太陽能電池）。當操作員將激光照射在這些光伏板上時，促使驅動設備彎曲。操作人員可以通過將激光照射在不同的光伏板上來在彎曲前腿和後腿之間進行交替，從而推動機器人。

制造微型機器人的三個主要步驟：制造電子設備，制造支架和釋放設備。主要的制造步驟是在晶圓級完成的，而釋放步驟通常是在切好的芯片上完成的

微型機器人制造方法示意圖

每一個機器人的大小都可以與較大的微生物相媲美：一個機器人幾乎和一個單細胞草履蟲一樣小。

草履蟲和它旁邊的一個機器人

一個4英寸的晶圓表面有大約一百萬個微型機器人。

02最前延研究的意義

由於新開發的電化學驅動設備的制造技術與制造電路板的技術相同，因此原則上未來可以同時制造微型機器人的“大腦”（邏輯電路）和支腿。並且驅動設備可以由通常流經電子電路的低功率電流操作，因此傳感器和邏輯組件可以與驅動設備無縫集成。這就解決瞭前面所提到的制作微型機器人的主要障礙之一。這很重要，因為在未來微型機器人不僅要按需遊動，而且還要使用來自傳感器和邏輯電路的輸入來遵循更高級的指令。

研究團隊不僅設計和測試瞭單個微執行器，他們還開發瞭原型微機器人——將四個新開發的驅動設備用作支腿，使它們可以在淹沒在顛簸水面上緩慢移動。

研究團隊使用瞭嶄新的設計概念來設計微型機器人——他們沒有向靜態粒子添加推進機制，而是使原型機器人微型化：一種具有由電子設備控制的機械腿。不同於其他微型機器人啟動器需要特定的化學環境才能發揮作用的特性，這種設計將能源轉化為運動的效率要高100萬倍。

目前，自動微型機器人在設計將存儲或清除的能量轉換為機械運動的微粒方面取得瞭巨大進展，但是可編程性仍然是一個挑戰。而這項研究為解決此問題提供瞭清晰的方向。

微型設備已經被開發出來，可以充當由激光控制的微型機器人的腿。這些器件與微電子系統的兼容性為大規模制造自動微型機器人指明瞭一條道路。

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