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上，而且可以自行移動，只需要光作為電源。

這項研究發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出指令信號（例如協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，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 納米的現代先進制程，這個工藝較為落后，這也意味著未來繼續縮小電路，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，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，然后由商業代工廠 XFAB 制造。最終，Reynolds 等人做出來的這個機器人比現有的其他 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，并發出指令，然后集成電路執行指令。

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