科学家将一台电脑塞进了一个像盐粒一样大小的机器人

简要概述

• 研究人员制造出了微粒大小的自主机器人，能够游泳、感知温度，并自主运行数月。
• 这些机器人使用电场而非运动部件。
• 它们是首批集成计算机的亚毫米级机器人，每个制造成本仅一分钱。

研究人员刚刚将自主机器人缩小到尘埃般的大小。而且这些机器人还能“思考”——大致如此。 来自宾夕法尼亚大学和密歇根大学的团队制造了微观机械——尺寸为200×300×50微米，等同于一粒盐的大小——它们可以在液体中游动、感知温度变化、自主决策，并能连续运行数月。每个成本约一分钱。 这些小型机器人完全自主，无线缆、无磁场、无外部操控杆。只装有一个微型计算机、传感器和推进系统，几乎小到用肉眼难以看清。 

“我们将自主机器人缩小了10,000倍，”宾夕法尼亚工程学院助理教授Marc Miskin告诉_Science Daily_。“这为可编程机器人开辟了全新的尺度。” 这一突破解决了困扰机器人技术40年的难题：如何制造在一毫米以下自主运行的机械。电子技术不断缩小，但机器人却未跟进。该尺度的物理规律极为严酷——Miskin解释说，穿过水时感觉像在推粥状物，微小的手臂或腿会断裂。 因此，团队完全放弃了传统设计。它们不弯曲或弯折肢体，而是产生电场，推动周围液体中的带电粒子。这些离子带动水分子一起移动，从而产生运动。

一段模拟轨迹的时间推移视频，显示由三个电机连接组成的机器人附近的示踪粒子轨迹。( 版权：Lucas Hanson 和 William Reinhardt，宾夕法尼亚大学)

这种方法之所以奏效，是因为没有运动部件。电极足够耐用，可以用微量吸管反复在样品间转移而不损坏。在LED光的驱动下，它们可以持续游动数月。

这些机器人由微型太阳能电池供电，产生的功率仅为75纳瓦。为了实现这一点，密歇根设计了在极低电压下工作的电路，能耗降低超过1000倍。他们还必须彻底重新思考软件的工作方式，将通常需要多条指令的操作浓缩成单一、专用的命令，存储在微型存储器中。 结果：首个集成完整计算机的亚毫米级机器人诞生了。处理器、存储器、传感器——全套配置。在这个尺度上，还没有人实现过这样的设计。

一款微型机器人，集成传感器和计算机，体积小到可以在指纹边缘平衡。版权：Marc Miskin，宾夕法尼亚大学 ( 插图：一只放在美国一分钱硬币上的微型机器人，显示比例。版权：Michael Simari，密歇根大学)

这些机器人可以将温度检测精确到三分之一摄氏度——对于喜欢英制系统的用户来说，是六十分之一华氏度。它们可以向温暖区域移动，或报告作为细胞活动代理的温度值——潜在用于监测单个细胞。 为了传达测量结果，研究人员设计了一种特殊指令，将数据编码在机器人执行的小舞蹈“摇摆”中。科学家通过显微镜观察并解码信息。正如密歇根大学电气与计算机工程教授David Blaauw所说，这就像蜜蜂的交流方式。 这些机器人通过光脉冲进行编程，同时也为其供能。每个机器人都有唯一地址，研究人员可以在不同单元上加载不同程序。它们可以独立工作，也可以协作，像鱼群一样以每秒一体长的速度移动。 未来版本可能存储更复杂的程序，集成新传感器，或在更恶劣的环境中运行。目前的设计是一个平台——其推进系统配合电子技术，能够大规模廉价制造。 “这只是第一章，”Miskin说。“我们已经证明，可以将大脑、传感器和马达放入几乎看不见的微小物体中，并让它们存活并工作数月。” “有了这个基础，”他补充说，“你可以叠加各种智能和功能。”