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導(dǎo)讀
據(jù)美國康奈爾大學(xué)官網(wǎng)近日報(bào)道，該校研究人員領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)出首個(gè)含半導(dǎo)體元件的微型機(jī)器人。該機(jī)器人的尺寸與草履蟲相仿，可用激光控制其腿部行走。
背景
1959年，前康奈爾大學(xué)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）發(fā)表了著名的演講“《在底部還有很大空間》（There’s Plenty of Room at the Bottom）”。在這篇演講中，他描述了“微縮技術(shù)（shrinking technology）”的機(jī)遇，從機(jī)器到計(jì)算機(jī)芯片再到極小的尺寸。
費(fèi)曼率先提出將微型機(jī)器人應(yīng)用于醫(yī)療的想法，按照他的說法就是“吞下外科醫(yī)生”。這些“外科醫(yī)生”也就是微納機(jī)器人。受自然界微生物自由運(yùn)動(dòng)啟發(fā)，人類通過電場、磁場、光場等手段可以有效地驅(qū)動(dòng)這些微納機(jī)器人。微納機(jī)器人在無創(chuàng)手術(shù)、靶向藥物運(yùn)輸和生物傳感檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
可重構(gòu)的微型機(jī)器人，由電磁場遠(yuǎn)程控制，可在人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行給藥或者手術(shù)。（圖片來源：EPFL/EPFZ)
將電子器件微型化以生產(chǎn)細(xì)胞大小的微型機(jī)器人，一直是科學(xué)家們追求的目標(biāo)。但由于缺乏合適的微米級致動(dòng)器系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)一直受到限制。十多年來，科學(xué)家們一直在努力開發(fā)可使微型機(jī)器人在體液中行進(jìn)的微米級致動(dòng)器。
創(chuàng)新
近日，一項(xiàng)由美國康奈爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的合作創(chuàng)造出了首個(gè)含半導(dǎo)體元件的微型機(jī)器人，它由標(biāo)準(zhǔn)的電子信號進(jìn)行控制，而且能夠行走。
這些機(jī)器人的尺寸與草履蟲相仿，為利用硅基智能構(gòu)造更復(fù)雜的版本提供了模板。它們可以大規(guī)模生產(chǎn)，有朝一日可以穿越人體的組織和血液。
這項(xiàng)合作由康奈爾大學(xué)物理系教授伊泰·科恩（Itai Cohen），物理科學(xué)教授保羅·麥克尤恩（Paul McEuen）以及他們的前任博士后研究員、現(xiàn)任賓夕法尼亞大學(xué)助理教授的馬克·米斯金（Marc Miskin）領(lǐng)導(dǎo)。
團(tuán)隊(duì)的論文“《電子集成、可大規(guī)模生產(chǎn)的微型機(jī)器人》（Electronically Integrated, Mass-Manufactured, Microscopic Robots）”于8月26日發(fā)表在《自然》雜志上。
技術(shù)
這款行走的機(jī)器人是在科恩與麥克尤恩此前研發(fā)的納米機(jī)器的基礎(chǔ)上演變而來的，從微型傳感器到石墨烯基折紙機(jī)器人。
這款新型機(jī)器人大約5微米厚（一微米等于百萬分之一米），40微米寬，根據(jù)不同的用途可在40微米到70微米范圍內(nèi)調(diào)整其整體長度。每個(gè)機(jī)器人的“大腦”和“身體”都是由硅光伏電路組成，“腿”是由四重電化學(xué)致動(dòng)器制成。
這些微型機(jī)器人看起來似乎很簡單，但是創(chuàng)造“腿”卻是一項(xiàng)巨大的成就。
麥克尤恩表示：“從某種意義上說，從這款機(jī)器人的大腦來看，我們只是在利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)，使它變得小型化且可發(fā)布。但腿之前是不存在的，因?yàn)闆]有可供使用的、可通過電氣激活的小型致動(dòng)器。因此，我們必須發(fā)明這些，然后將它們與電子器件結(jié)合起來。”
團(tuán)隊(duì)用原子層沉積與光刻技術(shù)，通過只有幾十個(gè)原子厚的鉑條構(gòu)造出了腿，鉑條一側(cè)覆蓋著一薄層惰性鈦。對鉑施加正電荷時(shí)，周圍溶液中帶負(fù)電荷的離子就被吸收到暴露的鉑表面上，以中和電荷。這些離子迫使暴露的鉑膨脹，使鉑條彎曲。由于鉑條超薄，所以材料能夠急劇彎曲而不會斷裂。為了幫助控制三維肢體運(yùn)動(dòng)，研究人員在條帶頂部安上了剛性聚合物面板。面板之間的間隙相當(dāng)于膝蓋或腳踝，從而使腿部以受控方式彎曲并產(chǎn)生移動(dòng)。
機(jī)器人的前后腿由兩組不同的光電池控制，當(dāng)光電池受到激光照射時(shí)，就會分別為前后腿充電。通過在兩組光電池之間來回切換激光，研究人員就可以控制機(jī)器人行走。
科恩表示：“雖然這些機(jī)器人的功能很原始，行走不快，但它們并不需要太高的計(jì)算能力。我們的創(chuàng)新使它們與標(biāo)準(zhǔn)微芯片制造工藝兼容，從而為這些微型機(jī)器人變得智能化、快速、可量產(chǎn)打開了大門。這實(shí)際上只是第一步，表明我們可以在微型機(jī)器人上進(jìn)行電子集成。”
盡管技術(shù)含量很高，但這款機(jī)器人卻可以在200毫伏的低電壓和10納瓦的低功率條件下運(yùn)行。雖然體積很小，但它依然保持強(qiáng)壯堅(jiān)固。因?yàn)檫@款機(jī)器人是通過標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制成的，所以它可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行生產(chǎn)：4英寸的硅晶圓上可以容納約100萬個(gè)機(jī)器人。
研究人員正在探索用更復(fù)雜的電子器件和機(jī)載計(jì)算來改善機(jī)器人，這些改善或?qū)⑹沟贸扇旱奈⑿蜋C(jī)器人在材料中爬行并重組材料，或者縫合血管，或者一起探測人腦的大片區(qū)域。
【1】Marc Z. Miskin, Alejandro J. Cortese, Kyle Dorsey, Edward P. Esposito, Michael F. Reynolds, Qingkun Liu, Michael Cao, David A. Muller, Paul L. McEuen, Itai Cohen. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots.Nature, 2020; 584 (7822): 557 DOI: 10.1038/s41586-020-2626-9
【2】https://news.cornell.edu/stories/2020/08/laser-jolts-microscopic-electronic-robots-motion
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