能感知、思考和行动的微型机器人

近40年来，微型化一直是机器人学的重要目标，但由于微尺度独特的物理特性，机器人学家在实现亚毫米尺寸的同时，难以保证机载信息处理能力，导致微型机器人往往缺乏宏观机器人区别于其他机器的关键特征，即用于决策、感知、反馈和可编程计算的机载系统。

为此，研究团队着手研制一种与单细胞草履虫大小相当的机器人，它能通过机载计算、感知、记忆、运动和通信系统实现感知、思考和行动。这些微型机器人采用全光刻工艺进行大规模并行制造，能够执行数字定义的算法，并根据周围环境自主改变行为。

这种微型机器人的核心突破在于解决了集成难题：在约210微米×340微米×50微米的尺寸内，集成了光伏电池（供电）、温度传感器、四个执行器控制电路、光接收器（用于下行通信和编程）、处理器和存储器等。其电路采用55纳米CMOS工艺和亚阈值数字逻辑，在约100纳瓦的有限功率预算下运行，实现了低泄漏和小型化。

在功能上，该机器人配备自定义11位指令集的处理器，支持算术运算、控制流（如无条件跳转和条件分支）、数据传输，以及与物理世界交互的指令（如运动控制、温度传感、通信编码）。通过光通信链路，可向机器人发送初始化程序和任务程序，实现多步骤编程。运动方面，基于电动推进原理，通过控制电极极性可实现平移、旋转、弧线等多种运动模式，速度可达3-5微米/秒（平移）和0.1-0.3°/秒（旋转）。

此外，该机器人能实现基于传感器反馈的闭环行为，例如感知温度并通过运动编码传输数据（测量精度约0.3°C），或在温度梯度中自主调整运动模式（如低温时弧线探索，高温时原地旋转）。

这些成果共同为通用微型机器人铺平了道路，此类机器人可在简单装置中多次编程，并能在不确定环境中无需监督协同执行任务。