比鹽粒還小,科學家研發出世界上最小的自主機器人

2025-12-29 | 來源: IT之家 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

IT之家 12 月 29 日消息，納米機器人曾一度是科幻作家和《殺出重圍》《合金裝備》這類電子游戲中的遙遠幻想。然而，近年來微型化技術的進步正讓這些看似荒誕的場景逐步貼近現實。不久的將來，我們或許就能看到可在人體內部進行治療，或是完成那些宏觀尺度下難以實現的任務的微型機器人。

賓夕法尼亞大學與密歇根大學的聯合研究取得了一項突破，工程師們設計出了迄今為止最小的完全可編程自主機器人，其尺寸小到足以在生物細胞層面運作。每個機器人的體積約為 200×300×50 微米，比一粒鹽還要小，生產成本僅需約 1 美分。盡管體型微小，這些設備卻能在無需任何線纜、磁場或外部控制器的情況下，實現移動、感知、運算並對周圍環境做出響應。

賓夕法尼亞大學電氣與系統工程學助理教授馬克?米斯金向 Science Alert 透露，這類自主機器人的體積比現有微型機器人小了一萬倍。“這為可編程機器人開辟了一個全新的尺度領域。”米斯金表示。

研究人員近期在《科學?機器人學》和《美國國家科學院院刊》上發表了相關成果，他們設想這類機器人的應用場景十分廣泛，從追蹤單細胞的健康狀態，到協助制造微型設備都能發揮作用。由於這些機器人的尺寸與許多微生物處於同一量級，未來它們或許能在傳統機器人難以觸及的組織環境或微型生產線中自如活動。

據IT之家了解，將機器人縮小至亞毫米級別會帶來新的物理限制，在這個尺度下，慣性和重力的影響會讓位於阻力、黏性等表面力。傳統機械肢體在這種環境下極易損壞，或是無法產生有效運動，這就迫使研究團隊重新思考微觀尺度下的驅動方式。

“當機器人小到一定程度時，在水中行進就如同在焦油裡穿行。”米斯金說道。

該研究團隊研發出了一種無需活動部件的新型驅動系統。與依靠微型肢體或槳葉不同，每個機器人都能通過感應電場來操控周圍液體中的離子，這些離子繼而推動附近的水分子，從而有效帶動機器人在流體中移動。

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“這就好比機器人置身於一條流動的河流之中。”米斯金解釋道。借助這種方式，機器人能夠沿著復雜軌跡行進，還能像魚群一樣協同行動，移動速度可達每秒約一個自身長度。由於不存在活動部件，這種設計的機械穩定性極強，米斯金指出，研究人員可以反復將機器人在不同樣本間轉移，而不會對其造成損傷。僅需一個簡單的 LED 燈就能為機器人供能，且它們的續航時間可達數月之久。

實現物理運動只是挑戰的一半。為了打造具備自主行動能力的機器人，賓大團隊與密歇根大學戴維?布勞的研究小組展開了合作，後者因研發出全球最小的計算機而聞名。這次合作源於五年前美國國防高級研究計劃局的一次會議，當時兩位研究者發現彼此的技術具有很強的互補性。要在如此微小的設備中集成計算功能，必須依賴超高能效的電子元件，每個機器人的太陽能電池板僅能產生 75 納瓦的電能，這一功率比智能手表低了十萬倍以上。

布勞介紹，他的團隊研發出了可在極低電壓下運行的電路，將計算機的功耗降低了一千多倍。即便如此，太陽能電池板依然占據了機器人表面的絕大部分空間，留給處理器和存儲器的空間所剩無幾。最終，研究團隊成功打造出一種全集成設備，在數百微米的結構內，同時集成了處理器、存儲器、傳感器和驅動系統。這個微型計算機能讓機器人以約三分之一攝氏度的精度感知溫度，並做出相應反應。例如，它可以追蹤那些標志著生物活動的熱梯度，或是實時反饋環境數據。

研究人員通過機器人的運動來與其進行“交流”。布勞的團隊將測量到的溫度等數據，編碼為機器人的物理動作。

“我們設計了一種特殊的計算機指令，能將測量到的溫度這類數值，轉化為機器人的一組小幅擺動動作。”他說，“隨後我們通過顯微鏡和相機觀察這些動作，再從擺動模式中解碼出機器人向我們傳遞的信息。這個過程和蜜蜂之間的交流方式十分相似。”

研究人員可以通過特定的光脈沖，分別為每個機器人供能和編程。這種設計架構能夠讓研究人員向一個機器人群體中的不同個體分配獨特指令，從而使它們在協同任務中各司其職。

在米斯金和布勞看來，當前的設計只是一個起點，而非終點。這種兼具機械結構簡潔、電子元件高效、制造工藝可規模化等優勢的平台，有望在所有需要分布式微觀智能的領域發揮作用。米斯金將這項研究稱為朝著賦予機器人更多智能與功能邁出的第一步，證明了這種微型全功能機器人不僅能穩定運行數月之久，更為微觀機器人技術的未來發展打開了一扇全新的大門。