一個小到可以放在指紋脊線上的微型機器人。圖片來源：密歇根大學
本報訊科學家研製出迄今最小的可程式設計自主機器人。這些微型機器人的成本約1美分，可以在液體中遊動，感知周圍環境並自主響應，且能够連續工作數月。相關研究成果近日發表於《科學-機器人》和美國《國家科學院院刊》。
在沒有放大鏡的情况下，幾乎看不見這些機器人。其尺寸大約為200微米×300微米×50微米，比一粒鹽還小。由於它們與許多活體微生物在相同規模上運作，未來或許能幫助醫生監測單個細胞，或協助工程師組裝用於先進製造的微型設備。
與其他微型機器人不同，這種機器人不依賴電線、磁場或外部控制，而完全由光驅動。內部的微型電腦使它能够遵循預設路徑，探測局部溫度變化，並相應調整自身運動。這使其成為第一個在如此小的規模上實現真正自主和可程式設計的機器人。
“我們製造出了大小僅為先前1/10000的自主機器人。”論文作者、美國賓夕法尼亞大學的MarcMiskin說，“這為可程式設計機器人開啟了一個全新尺度。”
過去幾十年裏，電子器件的尺寸持續縮小，但機器人科技並未遵循相同的發展軌跡。根據Miskin的說法，製造出1毫米以下獨立操作的機器人是非常困難的。
在日常尺度上，運動由重力和慣性等决定，這些力取決於物體的體積。然而，在微觀尺度下，與表面相關的力佔據了主導地位。阻力和黏性變得具有壓倒性，極大改變了運動管道。“如果你足够小，推水就像推瀝青一樣費力。”Miskin解釋道。由於物理學上的這種轉變，用傳統方法設計機器人註定會失敗——微小的手臂或腿很容易斷裂，並且極難製造。
為突破這些局限，研究人員開發了一種全新的機器人移動管道。這種機器人不會彎曲或伸縮，而是產生了一個電場，輕輕推動周圍液體中的帶電粒子。隨著這些離子的移動，它們會拖曳附近的水分子，從而在機器人周圍的流體中產生運動。“機器人好像置身於一條流動的河流中。”Miskin說，“但機器人本身也在驅使這條河流流動。”
通過調節電場，機器人可以改變方向，沿著複雜的路徑移動，甚至可以像魚群一樣協調其運動，速度可達每秒一個身長。
由於使用的是沒有活動部件的電極，囙此這種機器人异常堅固耐用。Miskin介紹，它可以用微量移液器在不同樣品間反復轉移而不會受損。在LED燈的驅動下，這種機器人能够持續遊動數月。
機器人實現真正的自主需要的不僅是移動，還必須能够感知環境、作出決策並為自己供能。所有這些組件都必須集成在一塊只有幾分之一毫米大小的晶片上。美國密歇根大學的DavidBlaauw團隊接受了這項挑戰。
Blaauw表示，電源是最大障礙之一。“對電子器件來說，關鍵挑戰在於太陽能電池板非常小，只能產生75納瓦的電力。這是智慧手錶功耗的10萬分之一。”他說，為使系統工作，團隊設計了專門在極低電壓下運行的電路，將功耗降低至原來的1/1000以下。
空間則是另一個主要限制。太陽能電池板佔據了機器人表面的大部分面積，幾乎沒有給電腦硬體留出空間。為解决這個問題，研究人員重新設計了機器人軟件的運行管道。Blaauw解釋說：“我們將傳統上需要許多指令才能實現的推進控制程式合成一條特殊指令，從而縮短程式長度以適應機器人微小的存儲空間。”
現時的機器人只是一個起點，未來版本可能搭載更先進的程式、移動速度更快、包含更多感測器，或能在更惡劣的環境中工作。研究人員將該系統設計為一個靈活的平臺，結合了穩定的推進方法和製造成本低廉並隨時間調整的電子器件。