Nature:可行走、可注射入人體的四腳機(jī)器人“大軍”問(wèn)世
8 月 26 日,最新一期《自然》雜志發(fā)布了由康奈爾大學(xué)研究人員創(chuàng)造的首個(gè)含半導(dǎo)體元件的行走微型四腳機(jī)器人,該機(jī)器人尺寸小于 0.1mm(約為人頭發(fā)寬度),可通過(guò)激光控制其腿部行走。
這種微型機(jī)器人大約有 5 微米厚(1 微米是一米的百萬(wàn)分之一)、40 微米寬、40 到 70 微米長(zhǎng),可由標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制造而成,并能夠進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn),一個(gè) 4 英寸的硅片可同時(shí)制造約 100 萬(wàn)個(gè)這種機(jī)器人。
每個(gè)機(jī)器人都由一個(gè)硅光電板制成的簡(jiǎn)單電路組成,其基本功能類似于軀干和大腦,還有四個(gè)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了機(jī)器人的腿。研究人員以不同光伏閃爍激光脈沖來(lái)控制這些機(jī)器人移動(dòng),每一個(gè)脈沖可以給一只腿充電,通過(guò)在光電板前后切換激光來(lái)控制機(jī)器人行走。
它們?cè)诘碗妷海?00 毫伏)和低功率(10 毫微瓦)條件下就可移動(dòng)。雖然體形微小但十分結(jié)實(shí),在未來(lái),這些微型機(jī)器人或許可以穿梭在人體組織和血液中,執(zhí)行外科醫(yī)生的操作,縫合血管,探測(cè)人類大腦等。
本研究的第一作者、康奈爾大學(xué)納米科學(xué) Kavli 研究所 Miskin 表示,“控制一個(gè)微型機(jī)器人就如同控制一個(gè)縮小版的你,它們可以帶我們進(jìn)入各種各樣的微型世界!
數(shù)以千計(jì)的機(jī)器人“大軍”
一個(gè)機(jī)器人走過(guò)顯微鏡載玻片
一個(gè)微型機(jī)器人繞圈行走
通過(guò)生產(chǎn)微型化電子器件來(lái)制造細(xì)胞大小的機(jī)器人一直是人們追求的目標(biāo)。
早在 1959 年,諾貝爾獎(jiǎng)得主 Richard Feynman 就表示:“讓外科醫(yī)生進(jìn)入身體內(nèi)部(即制造一個(gè)可以通過(guò)血管進(jìn)行手術(shù)的微型機(jī)器人)將會(huì)十分有趣!
這個(gè)對(duì)于未來(lái)醫(yī)療的美好愿景凸顯了將納米級(jí)微型機(jī)器人部署到微觀世界的重要性。然而,這一想法談何容易。
首先,在液體中控制微型機(jī)器人的移動(dòng)十分具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)樵谝后w中強(qiáng)大的阻力使得微型機(jī)器人無(wú)法保持動(dòng)力,因此該技術(shù)一直受到限制,十幾年來(lái)科學(xué)家一直致力于開(kāi)發(fā)在液體中行進(jìn)的微米級(jí)驅(qū)動(dòng)器。
慶幸的是,Miskin 及其同事采用一些策略來(lái)克服制造微型機(jī)器人的技術(shù)挑戰(zhàn),通過(guò)利用太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)出了一款微型驅(qū)動(dòng)器,成功克服了這個(gè)問(wèn)題。
當(dāng)激光照射到光電板上時(shí),機(jī)器人就能行走(來(lái)源:康奈爾大學(xué))
這些驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了機(jī)器人的腿,它可以將能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)力。當(dāng)給予該裝置極少量的電流時(shí),它就會(huì)折疊和展開(kāi)。電流可使周圍溶液中的離子吸附到驅(qū)動(dòng)器表面,改變機(jī)器人腿上的力,從而使腿彎曲。
然后,研究人員將這些機(jī)器人腿部與中央底盤上的幾塊太陽(yáng)能電池相連。當(dāng)研究人員使用激光照射這些太陽(yáng)能電池時(shí),微型機(jī)器人的腿就可以彎曲和伸直。當(dāng)研究人員使用激光在機(jī)器人前腿和后腿交替照射時(shí),就可以推動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)。
值得注意的是,這些微型機(jī)器人的尺寸小于 0.1 毫米,一塊 4 英寸的硅片可同時(shí)制造超過(guò) 100 萬(wàn)個(gè)行走微型機(jī)器人。該團(tuán)隊(duì)表示,這是目前已知的第一個(gè)尺寸小于 0.1 毫米的機(jī)器人,激光用于控制驅(qū)動(dòng)。
由于它們是由高度穩(wěn)定的材料制成的,所以很堅(jiān)固,能在高酸性環(huán)境和超過(guò) 200-k 的溫度變化中生存下來(lái)。
這些機(jī)器人和草履蟲等微生物差不多大(來(lái)源:康奈爾大學(xué))
此外,微型機(jī)器人能夠被移液器和注射器安全吸入,并像化學(xué)物質(zhì)一樣通過(guò)皮下針頭注射,由于它們體型微小,因而可以通過(guò)最小型號(hào)的皮下注射針頭,并且在注射后也可維持機(jī)械功能,這樣一個(gè)微型機(jī)器人為探索生物內(nèi)環(huán)境帶來(lái)了可能。
研究人員還將這個(gè)微型機(jī)器人稱為“牽線木偶”,因?yàn)椴僮鲉T可以通過(guò)激光照射機(jī)器人底盤上的太陽(yáng)能電池來(lái)提供指令。而它主要的缺點(diǎn)也在于,這些機(jī)器人必須始終與它們的能力和信息源“拴在一起”。
不過(guò),目前這些微型機(jī)器人功能仍有限,它們不能自動(dòng)行走,移動(dòng)速度比大多數(shù)游泳機(jī)器人慢,且不能感知環(huán)境,缺乏磁引導(dǎo)微型機(jī)器人的控制。
一組微型機(jī)器人“隊(duì)列”
盡管如此,這些微型機(jī)器人仍然具有巨大潛力,它們能與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 處理兼容。研究人員目前正在探索使用更復(fù)雜的電子裝置和計(jì)算方法來(lái)改進(jìn)機(jī)器人。
在未來(lái),這種微型機(jī)器人不僅能在液體中移動(dòng),還可以使用車載傳感器和邏輯電路輸入更高級(jí)的指令,執(zhí)行更加復(fù)雜的操作,這將使我們離 Feynman 的設(shè)想更進(jìn)一步。
排版:趙辰霞
編審:王新凱
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