草履虫大小的微型机器人：由激光驱动，未来可用于显微外科手术！

江苏激光联盟导读：

据悉，《Nature》报道了美国康奈尔大学的最新研究成果，该校研究人员领导开发出 首个含半导体元件的微型机器人。该机器人的尺寸与草履虫相仿，可用激光控制其腿部行走。

▲微型机器人示意图

图解：来自康奈尔大学和宾夕法尼亚大学的研究人员构建了一个微型机器人，该微型机器人由一个简单的硅光电电路所组成，从本质上来说，主要是躯干和大脑，以及四个电化学执行器用来执行腿的功能。当激光照射到硅光路的时候，该微型机器人就会行走

在1959年，前康奈尔大学的瑞查德.费曼（Richard Feynman）曾经做了一个非常著名的演讲：“在底部具有巨大的空间”，在这一著名的演讲中提到了一项缩微技术，可以达到令人惊奇的小微尺寸。而且，这一底部开始变得更加更加拥挤。

目前康奈尔大学绝研发的这款机器人的厚度约5微米、宽约40微米、长度范围从40到70微米。肉眼几乎不可见，只能靠显微镜来观察，可被轻松吸入注射器中，从而可以实现医疗行业应用中的微纳机器人手术。

▲该款微纳机器人，通过激光的辐照来控制机器人的前后腿的交替运动，从而实现在液体中的游动

这款微纳机器人，由于其体积小，只有草履虫大小，而且方面大批量的进行制造，科学家可以实现“撒豆成兵”，能够一次批量制造出上千个这样的微型机器人，组成一支不可估量的“大军”。

那么这项新工作为何如此特别呢？在过去的十多年来，科学家们一直在攻坚克难，在开发能够在液体中游动的微纳小型机器人的道路上奋斗不已，而且也一度出现过比康奈尔大学所制造的机器人的体积要更小，行走速度更快。那么这次的微纳小型机器人有何独特之处呢？

首先，该微型机器人采用了同制造芯片相类似的制造工艺。一个4英寸（约10厘米）的晶圆就能生产超过100万个机器人。

▲条带的超薄特性让机器人的腿部能够急剧弯曲而不会断裂

电子集成微纳小型机器人的平行方式的批量制造

由康奈尔大学领导且开展合作的研究创造了这款微纳机器人，整合了半导体部件，使得该机器人易于控制，并且使得该机器人的行走，可以在标准的电子信号的控制下进行控制。

这些机器人，在尺寸上只有草履虫一样大小，提供了制造出甚至更加复杂版本的机器人的模板，可以利用硅基智能技术，可以批量制造，甚至在将来的某一天应用在人体的组织和血液中。

这一合作研究是在物理学教授意泰.科恩（ Itai Cohen），Paul McEuen，是物理科学专业的 John A. Newman教授，两者均在科学与艺术学院工作，以及他们的前博士后研究人员Marc Miskin，现在是宾夕法尼亚大学的助理教授完成的。

微纳机器人的制造及其释放

该研究团队的这项研究成果以论文题目：“电子集成，批量制造的微型机器人（Electronically Integrated, Mass-Manufactured, Microscopic Robots）”为题发表在今年出版的期刊《Nature》上。

制造微纳型的机器人是一件非常难办的事情，尤其是当面对设计小尺寸规模的驱动器的时候，这个是一种电机，用来驱动机器人进行行走。传统的驱动器在如此小的尺寸下不易工作，并且新的驱动器在使用机械力，诸如磁力进行驱动的时候是非常不容易同传统的硅基微电子进行整合的。现在，这一研究团队发展了一种新型的驱动器，可以在电力的作用下进行驱动和可以层层堆积成电路而进行控制。这就为过去50年来微电子的研究整合在不易被人眼所见的微纳小型机器人中开辟了一条道路。

微型传感器（图片来源：Alejandro Cortese）

这一行走机器人是最新迭代产品，并且在多个方面实现了进化，Cohen和 McEuen早期的纳米尺度的机器人，是从微纳传感器到石墨烯为基础的自动折纸机机器人。

这一新的机器人其尺寸大约为5微米厚（一微米为一米的百万分之一），40微米宽和长度范围为40到70微米。每一个机器人由一个简单的硅光电电路所组成。其所其的作用为躯干和大脑，还有四个电化学驱动器，其作用为机器人的腿。

如同任何你所见到的小型机器一样，制造这类机器人的腿可谓一项壮举。

在这一类机器人的大脑的背景下，这里有一种感觉就是我们所讨论的现存在半导体技术和使得该机器人变得小型化和可释放的，McEuen说到，是下一代纳米科学和微系统的共主席，同时兼任康奈尔大学Kavli研究所的负责人。

但这类机器人的腿在以前是不存在的，McEuen说到，这里不存在小型的，电驱动的驱动器可以供我们所使用，因此我们不得不发明这些驱动器和将其整合在电子中。

新的机器人其尺寸大约为5微米厚，40微米宽和长度范围为40到70微米。同草履虫大小差不多

使用原子沉积技术和光刻技术，研究团队构建了机器人的腿，采用大约十几个原子厚度的Pt薄带，在一边用一薄层惰性的Ti来覆盖。通过施加Pt的正电极放电，施加充电离子吸收暴漏在被液体所包围的液体表面来实现中性的放电。这些离子驱动暴露的Pt来进行拓展，使得薄带进行弯曲。这一超薄的薄带使得材料发生急剧的弯曲而并不会发生断裂。为了帮助实现机器人腿部的3D 运动，研究人员在薄带的顶部进行图案刚性聚合物板。板子之间的间隙行使膝盖或脚踝的功能，使得机器人的腿在可控的程度下进行弯曲，由此实现了运动。

研究开发的机器人腿部的光电特性

研究人员通过不同光伏发电，利用激光脉冲的照射来控制机器人的运动，每一次放电可以实现对单独一个机器人的腿进行驱动。通过控制激光，不断的对机器人前后腿的光伏进行照射，机器人实现行走。

目前研制的这类机器人从功能上来说还是比较原始的，他们行走的速度还不够快，而且他们目前还不能具备大量的计算能力，但这次的革新在于我们使得该款机器人可以同标准的微处理芯片制造技术整合在一起，为我们制造更加智能，快速和批量制造微纳机器人开辟了一条道路。

机器人理所当然属于高技术，但他们运行在低电压（200毫伏）和低功率（10 纳瓦）的条件下，并且相对尺寸来说保持着强且有力的特点。因为他们是采用标准的光刻工艺机型制造的，他们可以实现平行制造：在一个4英寸的硅晶圆上可以制造出100万个机器人。

研究人员目前正在探究一种可以加大机器人的马力的办法，同时实现实现复杂的电子和计算功能，这一技术的改进在将来带来的直接后果就是导致成批的微纳机器人在材料中爬行和重组，或者缝合血管，或者集体派遣来探测人体大脑。

控制小微型机器人，也许可以缩成一团，和你一样亲密，我认为这类机器正在进入各种令人惊奇的世界中，任何非常小的却最终被我们所观察，Miskin说到，也是一名该论文的作者。

这一研究的最大进展在于为我们提供了令人激动人心的科学机会，研究同活性物质相关的新问题和最终导致未来机器人材料的出现，Sam Stanton说到，他是海军研究办公室的项目管理者，是资助该项研究的管理者。

该项研究白得到了美国空军科学研究办公室的额外资助，康奈尔大学材料研究中的资助，国家自然科学基金的资助以及康奈尔大学纳米科学Kavli 研究所的资助。这项研究工作是在康奈尔大学的纳米科学中心和技术研究室完成的。

（编辑：宁德站长网）

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