科学家成功研制出全球最小的自主机器人，其尺寸甚至比盐粒还要微小

12月29日消息，纳米机器人曾是科幻作家笔下的想象，也是《杀出重围》《合金装备》等电子游戏里的遥远设定。不过，随着近年来微型化技术的不断发展，这些曾经看似不切实际的场景正慢慢向现实靠近。在不远的将来，我们说不定就能看到能在人体内开展治疗，或是完成那些在宏观层面难以达成的任务的微型机器人。

宾夕法尼亚大学和密歇根大学携手开展的联合研究获得了重大突破，工程师团队成功研发出目前为止体积最小的全可编程自主机器人，其尺寸之小，甚至可以在生物细胞层面进行操作。单个机器人的大小约为200×300×50微米，比一颗盐粒还要小，而制作成本仅仅需要1美分左右。虽然这些机器人体型十分微小，但它们能够在不依赖任何线缆、磁场或者外部控制器的条件下，完成移动、感知、运算以及对周边环境做出反应等一系列动作。

宾夕法尼亚大学电气与系统工程学助理教授马克・米斯金向 Science Alert 透露，这类自主机器人的体积比现有微型机器人小了一万倍。“这为可编程机器人开辟了一个全新的尺度领域。”米斯金表示。

研究人员近期在《科学・机器人学》和《美国国家科学院院刊》上发表了相关成果，他们认为这类机器人的应用场景相当广泛，从追踪单细胞的健康状况，到辅助制造微型设备都可发挥作用。因为这些机器人的尺寸和许多微生物处于同一级别，未来它们或许能在传统机器人难以到达的组织环境或微型生产线中灵活活动。

据IT之家了解，把机器人缩小到亚毫米级别会面临新的物理限制，在这个尺度上，惯性和重力的作用会被阻力、黏性等表面力取代。传统的机械肢体在这样的环境里很容易损坏，或者没办法产生有效的运动，这就促使研究团队重新考虑微观尺度下的驱动方法。

“当机器人小到一定程度时，在水中行进就如同在焦油里穿行。”米斯金说道。

该研究团队研发出了一种无需活动部件的新型驱动系统。与依靠微型肢体或桨叶不同，每个机器人都能通过感应电场来操控周围液体中的离子，这些离子继而推动附近的水分子，从而有效带动机器人在流体中移动。

“这就像是机器人处在一条不断流动的河流里。”米斯金这样解释。通过这种方法，机器人不仅能顺着复杂的路线移动，还可以像鱼群那样互相配合行动，移动的速度大约是每秒一个自身长度。因为没有活动的零件，这种设计的机械稳定性非常高，米斯金提到，研究人员能够多次把机器人在不同样本之间转移，也不会让它受到损坏。只需要一个简单的LED灯就能给机器人提供能量，而且它们的持续工作时间能达到好几个月。

让机器人实现物理运动只是挑战的一部分。为了研发出能自主行动的机器人，宾夕法尼亚大学团队和密歇根大学戴维・布劳的研究小组携手合作，该小组曾因研制出全球最小计算机而声名远扬。这次合作的契机是五年前在美国国防高级研究计划局的一次会议，当时两位研究者察觉到双方的技术可以相互补充。由于要在这么小的设备里融入计算功能，就必须使用超高能效的电子元件，每个机器人的太阳能电池板仅能产生75纳瓦的电能，这个功率比智能手表低了十万倍不止。

布劳表示，他的团队开发出能在极低电压下工作的电路，使计算机功耗降低超千倍。但即便如此，太阳能电池板仍占据机器人表面大部分区域，留给处理器与存储器的空间十分有限。最终，研究团队成功构建出一款全集成设备，在数百微米的结构里，同时整合了处理器、存储器、传感器和驱动系统。这台微型计算机可让机器人以约三分之一摄氏度的精度感知温度并做出相应反应，比如能追踪指示生物活动的热梯度，或是实时反馈环境数据。

研究人员通过机器人的运动来与其进行“交流”。布劳的团队将测量到的温度等数据，编码为机器人的物理动作。

“我们设计了一种特殊的计算机指令，可将测量到的温度等数值，转换成机器人的一组小幅摆动动作。”他介绍道，“之后我们借助显微镜与相机观察这些动作，再从摆动模式里解码出机器人传递给我们的信息。这一过程和蜜蜂之间的交流方式极为相似。”

研究人员可以通过特定的光脉冲，分别为每个机器人供能和编程。这种设计架构能够让研究人员向一个机器人群体中的不同个体分配独特指令，从而使它们在协同任务中各司其职。

在米斯金与布劳的观点中，当下的设计仅仅是一个开端，而非最终形态。这个融合了机械结构简洁、电子元件高效、制造工艺可规模化等特点的平台，有希望在所有对分布式微观智能有需求的领域施展其价值。米斯金把这项研究视作向赋予机器人更多智能与功能方向前进的第一步，它不仅证实了这类微型全功能机器人能够稳定运行长达数月，还为微观机器人技术的未来发展开辟了一扇全新的窗口。