賓夕法尼亞大學和密歇根大學的研究人員創造了有史以來最小的完全可編程自主機器人。這些微型機器可以在液體中游泳。了解周圍環境 可以自己做出反應 一次工作幾個月 每次製作的成本約為一便士。
如果不放大，每個機器人幾乎是看不見的。它的尺寸約為 200 x 300 x 50 微米，比一粒鹽還小。這是因為它們與許多活微生物的工作水平相同。因此，機器人可以幫助醫生檢查單個細胞，或者幫助工程師組裝有一天可以用於先進製造的小型設備。
所有光動力機器人都包含一台小型計算機，可以幫助它們遵循編程路徑。檢測該區域的溫度變化並根據響應調整移動
工作報告於 機器人技術 和 美國國家科學院院刊 (PNAS)– 這些機器人不同於任何前一代的小型機器。因為它不依賴電線、磁場或外部控制。這使它們成為第一個真正的小規模可編程自主機器人。
賓夕法尼亞大學工程學院電氣與系統工程助理教授、該論文的資深作者馬克·米斯金 (Marc Miskin) 表示：“我們已經將自主機器人製造得小了一萬倍。” “這為可編程機器人開闢了一個新的維度。”
為什麼縮小機器人這麼難？
電子設備變得越來越小。在過去的幾十年裡，但機器人技術並沒有朝著同一個方向發展。 Miskin 表示，1 毫米以下尺度的自主性仍然是一個尚未解決的挑戰。 “創造尺寸小於一毫米的自主機器人非常困難，”他說。 “這個領域40年來一直被這個問題困擾。”
在日常生活中，運動是由重力和慣性等力決定的。這取決於物體的體積。然而，在微觀尺度上，與表面相關的力卻占主導地位。阻力和粘度過大。它極大地改變了我們的出行方式。 “如果你足夠小，推水就像推焦油一樣，”米斯金說。
由於物理學的變化，傳統的機器人設計已經失敗，細小的手臂或腿經常很容易折斷並且難以製造。 “非常小的腿和手臂很容易折斷，”米斯金解釋道。 “它們也很難建造。”
為了克服這些限制，研究人員開發了一種新的機器人運動方法，該方法適用於微觀世界的物理學。而不是與之抗爭
小機器人如何游泳？
魚類和其他大型游泳者通過向後推水來移動。根據牛頓第三定律，這會導致向前運動。微型機器人採取了一種非常不同的方法。
機器人不會彎曲或彎曲，而是會產生一個電場，輕輕地排斥周圍液體中的帶電粒子。當這些離子移動時，它們會拖動附近的水分子。這導致液體四處移動。機器人高效“這就像機器人在一條流動的河流中，”米斯金說，“但機器人也讓河流移動。”
通過調節電場，機器人可以改變方向。沿著複雜的路線行走，甚至像魚群一樣以群體的形式協調行動。它們的速度可達每秒一個身體長度。
這是因為這種游泳方法使用沒有活動部件的電極。因此，該機器人非常耐用。據米斯金介紹，它可以在樣本之間反復轉移。用微量移液器無損壞。該機器人可以使用 LED 燈游泳數月。
體內充滿了微觀智慧。
真正的自由需要的不僅僅是運動。機器人必須能夠感知環境、做出決策並控制自身。所有這些組件必須安裝在直徑僅為幾分之一毫米的芯片中。這項挑戰是由密歇根大學的 David Blaauw 團隊發起的。
五年前，當 Blaauw 和 Miskin 在國防高級研究計劃局 (DARPA) 的一次演講中會面時，Blaauw 的實驗室就已經保持了建造世界上最小計算機的記錄。他們很快意識到他們的技術是互補的。 “我們看到賓夕法尼亞大學的推進系統工程和我們的微型電子計算機是天生一對，”布勞說。儘管如此，將這個想法變成一個工作機器人還是花了五年的時間。
最大的障礙之一是權力。 Blaauw 表示：“電子產品面臨的主要挑戰是太陽能電池板很小，只能產生 75 納瓦的電力，比智能手錶維持系統運行所需的電力少了 100,000 倍。”該團隊設計了一種獨特的電路，可以在非常低的電壓下運行。能耗降低1000倍以上
空間是另一個重要的限制。太陽能電池板佔據了機器人的大部分空間。這為計算機硬件留下了非常小的空間。為了解決這個問題，研究人員重新設計了機器人軟件的工作方式。 “我們必須徹底重新考慮計算機程序的命令，”Blaauw 解釋道，“將傳統上用於控制推力的許多指令壓縮為單個專用指令。以減少程序的長度，以適應機器人較小的內存空間。”
具有感知和交流能力的機器人
研究人員認為，這些進步創造了第一個能夠真正做出決策的亞毫米機器人。據他們所知，此前從未有人將帶有處理器、內存和傳感器的完整計算機放入這麼小的機器人中。這樣的成功使得機器人能夠感知周圍的環境並獨立做出反應。
這些機器人配有電子溫度傳感器，可以檢測小至三分之一攝氏度的變化。這種能力使它們能夠移動到較溫暖的地區或報告可用作細胞活動指標的溫度讀數。它提出了一種檢查每個單元的方法。
傳達這些測量結果需要創造性的解決方案。 “在報告溫度測量結果時，我們設計了特殊的計算機指令，對測量的溫度等值進行編碼。這是機器人表演的一個小舞蹈，”布勞說。 “然後我們通過帶有攝像頭的顯微鏡觀察這種舞蹈。並從機器人的擺動中解讀機器人對我們說的話。這與蜜蜂的交流方式非常相似。”
為機器人提供動力的同一盞燈也用於編程。每個機器人都有一個唯一的地址。它允許研究人員將不同的命令上傳到不同的單元。 “這帶來了很多可能性，”布勞補充道，“每個機器人都可能在更大的聯合任務中扮演不同的角色。”
未來微型機器的平台
今天的機器人只是一個開始。未來的版本可能包括更高級的程序。移動速度更快 有額外的傳感器。或者在更惡劣的環境下工作。研究人員將該系統設計為一個靈活的平台。它將高效的推進方式與電子設備相結合，生產成本低廉，並且可以隨著時間的推移進行調整。
“這實際上只是第一章，”米斯金說。 “我們已經證明，你可以將大腦、傳感器和電機放入小到看不見的東西中。並讓它存活並發揮作用幾個月。一旦你有了這個基礎，你就可以添加各種智能和功能。它為微型機器人技術的全新未來打開了大門。”
該研究是在賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院、賓夕法尼亞大學藝術與科學學院進行的。以及密歇根大學電氣工程和計算機科學系。資金來自賓夕法尼亞大學校長辦公室國家科學基金會 (NSF 2221576)。空軍科學研究辦公室 (AFOSR FA9550-21-1-0313)、陸軍研究辦公室 (ARO YIP W911NF-17-S-0002)、帕卡德基金會、斯隆基金會和 NSF 國家納米技術協調基礎設施計劃 (NNCI-2025608) 以及富士通半導體為辛格納米技術中心提供了支持。
其他合著者包括來自賓夕法尼亞大學的 Maya M. Lassiter、Kyle Skelil、Lucas C. Hanson、Scott Shrager、William H. Reinhardt、Tarunyaa Sivakumar 和 Mark Yim，以及來自密歇根大學的 Dennis Sylvester、Li Xu 和 Jungho Lee。
