科學家將一台電腦塞進一個鹽粒大小的機器人裡

簡要說明

• 研究人員打造出微粒大小的自主機器人，能游泳、感測溫度，並獨立運作數月。
• 這些機器人使用電場而非移動零件。
• 它們是第一款具有整合電腦的亞毫米級機器人，每個成本僅一分錢。

研究人員剛將自主機器人縮小到塵埃般的大小。而且這些機器人還能思考——大致如此。 來自賓夕法尼亞大學和密西根大學的團隊製作出微觀機械——尺寸為200×300×50微米，約鹽粒大小——能在液體中游動、感測溫度變化、自主決策，並持續運作數月。每個成本約一分錢。 這些小型機器人完全自主。沒有線纜、沒有磁場、沒有外部操控桿。只有一個微型電腦、感測器和推進系統，幾乎小到用肉眼幾乎看不見。 

“我們已將自主機器人縮小了10,000倍，”賓夕法尼亞工程學院助理教授Marc Miskin告訴_Science Daily_。“這為可程式化機器人開啟了一個全新的尺度。” 這一突破解決了一個困擾機器人技術40年的難題：如何製造能在一毫米以下自主運作的機器。電子元件持續縮小，但機器人卻未跟進。那個尺度的物理規則非常殘酷——Miskin解釋說，穿過水感覺像在推濃稠的瀝青，微小的手臂或腿會折斷。 因此，團隊徹底放棄傳統設計。這些機器人不彎曲或彈性四肢，而是產生電場，推動帶電粒子在周圍液體中移動。這些離子拖動水分子，產生運動。

一個預計的追蹤粒子軌跡時間流逝影像，顯示由三個馬達連接而成的機器人附近的粒子軌跡。(Credit: Lucas Hanson 和 William Reinhardt，賓夕法尼亞大學)

這種方法之所以奏效，是因為它沒有活動零件。電極足夠耐用，可以用微量吸管反覆轉移樣本而不損壞。在LED光的驅動下，它們能持續游動數月。

這些微型太陽能電池為這些機器人提供的電力僅有75奈瓦。為了讓它們運作，密西根設計了在極低電壓下運作的電路，將能耗降低超過1000倍。他們還必須徹底重新思考軟體的運作方式，將通常需要多條指令的操作濃縮成單一、專用的指令，並存放在微小的記憶體中。 結果：第一款具有完整電腦的亞毫米級機器人。處理器、記憶體、感測器——全套裝備。在這個尺度上，沒有人曾做到過。

一個微型機器人，完全整合感測器與電腦，大小足以平衡在指紋的邊緣上。Credit: Marc Miskin，賓夕法尼亞大學 (插圖：一個微型機器人在美國一分錢硬幣上，顯示比例。Credit: Michael Simari，密西根大學)

這些機器人能感測溫度，精確到三分之一度C——對於喜歡帝國制的朋友來說，是六十分之一華氏度。它們可以向較暖的區域移動，或報告作為細胞活動代理的溫度值——有潛力監測個別細胞。 為了傳達測量結果，研究人員設計了一個特殊指令，將數據編碼在機器人表演的小舞蹈的“擺動”中。科學家通過顯微鏡觀察並解碼訊息。這就像蜜蜂的溝通方式，密西根大學電機與計算機工程教授David Blaauw說。 這些機器人由光脈衝控制，並用來供電。每個都有獨特的地址，讓研究人員可以在不同單元上載入不同的程式。它們可以獨立工作，也可以協同運作，以魚群般的模式移動，速度可達每秒一個身長。 未來版本可能存儲更複雜的程式，整合新感測器，或在更嚴苛的環境中運作。目前的設計是一個平台——其推進系統配合電子元件，能在大規模生產中廉價製造。 “這真的只是第一章，”Miskin說。“我們已證明你可以將大腦、感測器和馬達放入幾乎看不見的東西中，並讓它存活並運作數月。” “當你有了這個基礎，”他補充說，“你可以加入各種智慧和功能。”