科学家造出会“思考”的微型机器人，比一粒盐还小

每个机器人不借助放大设备几乎看不见，尺寸约为200×300×50微米，比一粒盐还小。由于其工作尺度与许多活微生物相同，未来这些机器人或许能帮助医生监测单个细胞，或协助工程师组装先进制造中的微型设备。

这些机器人完全由光驱动，内置微型计算机，可遵循预设路径移动、检测局部温度变化并相应调整行动。相关研究成果发表在《科学·机器人学》和《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。与以往微型机器不同，它们不依赖电线、磁场或外部控制，是首个在该小尺度下真正实现自主和可编程的机器人。

“我们制造出了小1万倍的自主机器人，”宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程助理教授、论文资深作者马克·米斯金说，“这为可编程机器人开辟了全新的尺度领域。”

### 为何缩小机器人如此困难

过去几十年，电子产品不断小型化，但机器人领域却未同步发展。米斯金指出，在1毫米以下尺度实现自主性一直是未解难题。“制造能在1毫米以下独立运行的机器人极其困难，”他说，“这一领域在这个问题上卡了40年。”

在日常尺度，运动由重力、惯性等依赖物体体积的力主导；而在微观尺度，表面相关的力取而代之。阻力和粘性变得极大，彻底改变了运动方式。“如果足够小，推水就像推焦油一样，”米斯金解释道。

由于这种物理特性的转变，传统机器人设计失效。小型手臂或腿部易断裂且极难制造。“非常小的腿和手臂很容易断，制造起来也很难，”米斯金补充道。为克服这些限制，研究人员开发了全新的机器人运动方式，顺应微观世界的物理规律而非与之对抗。

### 微型机器人如何“游动”

鱼类等大型游泳生物通过向后推水，利用牛顿第三定律产生向前运动，微型机器人则采用截然不同的方法。

它们不通过弯曲或伸缩，而是产生电场，轻柔推动周围液体中的带电粒子。这些离子移动时会拖拽附近水分子，从而在机器人周围液体中产生运动。“就像机器人在流动的河里，而机器人本身也在让河流动，”米斯金说。

通过调整电场，机器人能改变方向、遵循复杂路径，甚至像鱼群一样协调群体运动，速度可达每秒一个体长。由于这种运动方式使用无活动部件的电极，机器人非常耐用，可用微量移液器在样本间反复转移而不损坏，在LED光驱动下能持续游动数月。

### 将智能集成到微观躯体中

真正的自主性不仅需要运动能力，机器人还需感知环境、做决策并自供能，且所有组件需集成到仅几分之一毫米宽的芯片上。密歇根大学的大卫·布拉乌团队攻克了这一挑战。

布拉乌的实验室已创下世界最小计算机纪录。五年前，他与米斯金在国防高级研究计划局（DARPA）报告中相遇，意识到双方技术互补。“宾大的推进系统和我们的微型计算机简直是天作之合，”布拉乌说。即便如此，将想法转化为实用机器人仍花了五年。

最大障碍之一是动力。“太阳能电池板仅产生75纳瓦电力，比智能手表耗电量低10万倍以上，”布拉乌说。团队设计了极低电压专用电路，将功耗降低1000多倍。空间也是限制，太阳能板占去大部分表面，留给计算硬件的空间极小。为此，研究人员重新设计软件：“将推进控制所需的多条指令浓缩为一条特殊指令，以缩短程序长度，适应机器人微小的存储空间，”布拉乌解释。

### 能感知和“交流”的机器人

这些进展共同造就了首个能真正做决策的亚毫米级机器人。据他们所知，此前从未有人将含处理器、内存和传感器的完整计算机集成到如此小的机器人中。这使机器人能独立感知环境并做出反应。

机器人内置电子温度传感器，可检测小至0.3摄氏度的变化，能向温暖区域移动或报告可作为细胞活动指标的温度值，为监测单个细胞提供途径。

报告测量结果需巧妙设计：“我们设计特殊计算机指令，将温度等数值编码到机器人‘舞蹈’的摆动中，”布拉乌说，“然后通过显微镜和相机观察‘舞蹈’，从摆动中解码机器人的‘信息’，这与蜜蜂相互交流的方式很像。”

驱动机器人的光也用于编程。每个机器人有唯一地址，可向不同单元上传不同指令。“这开启了无数可能，”布拉乌补充道，“每个机器人在大型联合任务中或可扮演不同角色。”

### 未来微观机器的平台

当前机器人只是起点。未来版本或搭载更先进程序、移动更快、配备更多传感器或在恶劣环境工作。研究人员将该系统设计为灵活平台，结合稳健推进方法与可低成本制造、随时间调整的电子设备。

“这真的只是第一章，”米斯金说，“我们已证明能将‘大脑’、传感器和‘马达’放入小到几乎看不见的物体中，并让它存活工作数月。有了这个基础，就能叠加各种智能和功能，为微观尺度机器人打开全新未来之门。”

该研究由宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院、文理学院及密歇根大学电气与计算机科学系联合开展， funding 来自美国国家科学基金会、宾大校长办公室、美国空军科学研究办公室等机构，富士通半导体也提供了支持。其他共同作者包括宾夕法尼亚大学和密歇根大学的多位研究人员。