機器之心報道

編輯：澤南、張倩

這種機器人比螞蟻的腦袋還小，卻已經可以自主工作了。

在有關未來科技的展望中，除了虛擬世界、基因工程跟核聚變，人們還會想象可以在血管里運行、幫你治病的納米機器人。科學家在這一領域面臨的挑戰(zhàn)并不比其他目標更小，但如今，已有人制造出了原型機：

康奈爾大學的微型機器人。

這臺原型機來自康奈爾大學，直徑在 100 到 250 微米之間，已經小到可以待在人類的頭發(fā)上，而且可以自行移動，只需要光作為電源。

這項研究發(fā)表在了最近一期科學雜志子刊《Science Robotics》上。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abq2296

幾個月前，我們見證了可以在一分錢邊緣運動的小型機器——把它稱作機器人有些勉強，因為它需要通過反復加熱和冷卻，讓腿膨脹和收縮來運動。

實際上，康奈爾大學的新機器人放到螞蟻旁邊都顯得很小。它也更接近于我們認為的機器人，因為它是移動電子機器，與幾乎所有以前的系統(tǒng)不同，它不需要電線。

這個比螞蟻還小得多的機器人由三個主要系統(tǒng)組成：一個接受光作為動力的光伏電池，一個用于控制和引導動力的微型集成電路，以及一組用于自行移動的鉸鏈腿。

將這臺機器稱為「自主」可能有點夸張，但從不需要人們主動發(fā)出指令信號（例如協(xié)調它們運動的脈沖激光或無線電信號）這一角度來看，這么說也沒有什么問題。它可以自主移動，因為它只需要動力而不是智能，這就非常簡單了。

研究者們還構建了一些其他設計來展示如何使用不同的步態(tài)，并且還制造了一個稍大、功能更強大的「dogbot」，后者可以接受一個命令——實現(xiàn)快慢兩檔移動速度。由于機器人的智能直接受到電子設備規(guī)模的限制，它們無法適應更復雜的邏輯。

( A ) 微型機器人和螞蟻的體型對比。（B）機器人的放大視圖。該機器人由三個主要部分組成：用于控制機器人的 IC，讓機器人行走的腿以及用于為腿和電路供電的 PV。（C）機器人一條腿的放大圖像。它由 SiO2 和 SEA 的剛性面板、提供運動的活動鉸鏈組成。（D）帶有標記的主要電路塊的電路的 CAD 布局圖像。（E）微型機器人控制電路的光學顯微鏡圖像。比例尺，20 μm。該電路有八個輸出，可提供電壓幅度約為 0.6 V 的相移方波。這些方波的頻率可以通過硬接線電路的「頻率選擇」來設置。PTAT，與絕對溫度成正比。

值得一提的是，研究團隊使用的芯片制程是 180 納米，相比小于 10 納米的現(xiàn)代先進制程，這個工藝較為落后，這也意味著未來繼續(xù)縮小電路，或提升機器人智能的可能性。

這項研究由博士后研究員 Michael Reynolds 領導，建立在康奈爾大學之前的研究成果基礎之上。此前，康奈爾大學創(chuàng)造了最小的行走機器人的世界紀錄，但這個最新的機器人要聰明得多。Reynolds 開發(fā)的這個機器人通過電子電路控制。這就消除了機器人對外部控制機制（如其他微型機器人所需的熱或磁）的需要。Reynolds 說，那些（需要熱或磁控制的）機器人更像提線木偶，而不是真正的機器人。

Reynolds 開發(fā)的機器人的大腦是一個簡單的互補金屬氧化物半導體（CMOS）時鐘電路。它只包含了 1000 個晶體管，這與當今全尺寸計算機處理器的數(shù)十億個晶體管相比簡直不值一提。該電路的目的是產生相移方波（phase-shifted square waves），控制機器人的行走步態(tài)，當集成的光伏電池暴露在光下時，這個過程會自動完成。該團隊測試了三種不同的設計，分別有兩條腿、四條腿和六條腿。它們中最快的可以以每秒 10 微米的速度行走，在微觀尺度中已經是非常快的速度了。

這些電路只有 15 微米高，不僅構成了機器人的大腦，還構成了機器人的主體。它們采用了 13 層光刻技術來蝕刻大腦本身，以及作為機器人腿的鉑基致動器。Reynolds 和前博士后研究員 Alejandro Cortese 在幾年前設計了第一個 CMOS 大腦，然后由商業(yè)代工廠 XFAB 制造。最終，Reynolds 等人做出來的這個機器人比現(xiàn)有的其他 CMOS 電子機器人小 1 萬倍左右。

電路本身并不是真正的創(chuàng)新。康奈爾大學物理學教授 Itai Cohen 解釋說，降低芯片的功耗是使這些機器人移動的關鍵。低電壓和低電流的要求使得致動器在這種規(guī)模上是可行的，而這在過去是不可能的。Reynolds 設計的微型機器人是可擴展的，因此其他研究人員可以添加傳感器或控制機制。最終，人們可能會與機器人交流，并發(fā)出指令，然后集成電路執(zhí)行指令。

這個微型機器人的應用范圍很廣，從環(huán)境清潔到藥物的靶向輸送、再到細胞的監(jiān)測和顯微手術。在這些應用中，該微型機器人用于感知和響應環(huán)境并自主操作的板載控制系統(tǒng)都提供了顯著的優(yōu)勢，為智能微型機器人奠定了基礎。