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肉眼不可见的微型机器人来了 未来可探索大脑
来源:科普中国网  |  发布时间:2020-09-10  |  浏览量:3803

   孩子们都喜欢机器人,大人也喜欢。电影里我们看得太多,但少有人知道,当前机器人到底发展到哪一步了?波士顿的机器狗,固然非常吸引人,像人一样会旋转跳跃翻跟斗的机器人,也足够惊爆眼球。不过,正如宏观世界之下还有微观世界,微型机器人也是一个不容小觑的阵地。

  想象一下,有一天你买了一个手机,里面有一个app,可以控制你体内成千上万个微型机器人,对你的健康状态进行监测,甚至跟着音乐在你的血管里跳一支机器人舞。那感觉一定amazing!

  其实,这个场景看起来不远了。——至少,把这些机器人造出来,并注入你的体内,现在就可以办到(当然,后果暂时就没人顾得上了)。而且这些机器人,价格真的不要太便宜,因为它们是可以批量生产的,一下子就能“印”出好几百万个,每个只要几毛钱,跑起来还很灵活!

  微型行走机器人,尺寸不到0.1毫米(约为人的头发宽度)。研究人员甚至想有一天把它们放进人的大脑,来倾听神经元。是不是有点炸裂呢!|康奈尔大学

  研究人员将详情发表在8月的《自然》杂志上。

  新型致动器催生的迷你机器人

  我们之前可能听说过很多微型机器人,比如DNA折纸机器人(一种用单链DNA组装成的给药机器人,依靠人体内的循环系统而移动)、多腿的软体机器人(一种用软性硅薄片制作,下面装着上百条毛腿的机器人,可在外部电磁设备协助下,在人体内高效移动),甚至可愈合的活细胞机器人(一种使用皮肤细胞和心肌细胞组合而成的机器人,可通过心肌细胞的收缩产生不对称作用力,完成特定运动),等等。

  六边形DNA纳米管机器人,可以打开释放药物(左)和长腿的软体微型机器人,正在运送胶囊(右、插图)|来自相关论文

  但它们看起来都价格不菲,或者有这样那样的不足之处,比如,不够灵活,无法通讯,功能单一,离实际较远,会产生免疫反应,体型偏大……等等。

  而这一次,康奈尔大学的科学家们,使用一种非常简单的方法,做出了一种可与外部通讯,功能可以非常多样的微型机器人。并且它的尺寸可达到0.1毫米以下,而且一做就是几百万个,协同起来,应用前景非常可观。

  这种机器人的应用核心,在于它有一个相对成熟的“头部”;其关键突破,则是它有一个新型的“腿部”。从这个迷人的小东西身上,我们可以看到,科学家们是怎样在现有技术之上,通过一个“小小”的创新,来完成令人惊奇的科技突破的。(实际上,其“头部”亦来自同一团队成员之前的创新,该团队可谓“一步一个脚印”。)

微型机器人结构图,有头,有腿。|MarcMiskin, et al

  首先要说它的头部。当然,这部分是现成的。

  正如毕加索有句话说,优秀的艺术家抄袭,伟大的艺术家偷窃(good artists copy,great artists steal.——Picasso),机器人头部的制作工艺,就来自现有的半导体制造技术。

  随着摩尔定律五十多年发展,半导体行业正在使用越来越先进的生产工艺,制造出越来越小的器件。现在,这些工艺可以把上百万个晶体管,放入差不多一个单细胞草履虫那么大的空间里。不仅如此,他们还能制作出微型传感器、LED屏,还有一堆小到看不见的封装。

  (摩尔定律是指:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18~24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。由戈登·摩尔在1965年提出,目前快要到达瓶颈。)

  这是迷你机器人的基础,也是当前所有智能机器的基础。

  我们可以想象,没有腿的机器人是什么样的。不错,就是你手中的智能手机那个样子。这才15年不到,它就掌控了整个世界,不仅相当智能,通信功能一流,而且一只手就可以掌握。里面的元件多到数不胜数,要放到显微镜下才能将芯片上的电路看清。

  康奈尔大学的这款迷你机器人的头,也跟它差不多,就像一个细胞级的智能手机,配备了专门的应用程序,尺寸也比正常手机足小了上万倍。它被称为光学无线集成电路(OWIC)。其上有小型的太阳能电池,如果把光照射在上面,就会激活一小块电路,驱动迷你LED屏幕,实现与外界交流。就像萤火虫一样。

微型机器人的头部,一个光学无线集成电路,可被光照激活。|MarcMiskin, et al

  很酷的一点是,我们有不同的OWIC,搭配不同的传感器(将不同信号转换成电信号),有的可以测电压,有的可以测温度,或者有的只是一个闪烁的光点,告诉你它就在那里。这些OWIC作为微型安全智能标签,识别度比指纹还好。所以也被应用于其他医疗器械,用于获取更多信息,甚至可以被放进大脑,来倾听神经元,并通过LED闪烁将信号传出去。

  不过,这只是一个“头”,没有腿,不能移动。要成为一个真正有行动力的机器人,还得有腿才行。

  所以,科学家们在此基础上,给它开发出了一组会动的腿,或者我们可以称它——致动器。在显微镜下观察,可以看到它会在电压下蜷缩。

  这些腿是如此细小,和迷你头部正好相配,以至于红细胞放在旁边,就像筷子边放了一个面包圈一样。肉眼当然是别想看到了。

    科学家给OWIC配的腿,本来是直的,但是加电压后会蜷缩。|MarcMiskin, et al

原始的条带状的腿,伸缩动图。|MarcMiskin, et al

  它是怎么动的呢?原来,动力来自于腿上沉积的铂层——大概十几个原子层厚。如果把铂放进水中,并施加电压,水中的原子就会吸附或脱离铂的表面——这取决于电压高低——从而产生力。借助吸附或驱赶铂表面的原子层,就可实现对腿的动作的控制,因为腿只有一面是铂层,另一面是钛或其他材料。

  由于这些条带状的腿非常薄,所以可以反复弯曲伸直而不会断裂。研究人员还在此基础上用坚硬的板子(刚性聚合物)制作出了图案,其间隙就像是人的膝盖和脚踝,使得腿的弯曲能够预期,可做出想要的动作。

微型机器人模拟图,注意看它的腿,条带上有小硬片。|MarcMiskin, et al

  这样,一个既有头、又有脚的迷你小机器人就出现了。它既有思想、又有驱动力。OWIC就是它的大脑,为我们提供传感器和电源(将光转化为电压),还能通过光来和我们互动。铂层就是肌肉,可以让机器人四处走动。只要把激光投射在OWIC的不同太阳能板上,产生电压,就能选择要驱动哪条腿移动,从而让它行走起来。

  使用光刻技术实现批量生产

  但这项研究更妙的不是机器人有多么小巧灵活,而是,它可以批量生产,一下就是几百万个。

  你会以为,这些头和脚要分开制造,再拼接起来。实际上并非如此。它是使用光刻技术,就像制造传统芯片一样,类似逐层打印,先在晶片上一起“印”制好,再用化学药品从底部基质上“抠”下来的。头和腿可以同时打印,一“印”就是几百万个,一“抠”就是一个机器人军团。它们在离开基质后,自由翻折成成品的形状。

  见识一下被化学药品泡下来的机器人,研究人员正用移液器将其转移到别处。|MarcMiskin, et al

  据悉,一个4英寸(约10厘米)的圆晶硅片上,可以制造100万个这样的机器人。只需要非常低的电压,和非常少的能量就可以行动,能源利用效率非常高。并且它还非常坚固,可以忍受各种酸碱环境和超过200摄氏度的温度变化。在制造完成后20秒时间内,就可以自由行动。

  由于非常微弱的电流就可以控制其腿部运动,它们具备与微电子电路集成的巨大潜力,可以与传感器和逻辑元件无缝集成(升级头部)。这意味着,在未来,这些机器人将不仅仅是完成行走这样的简单任务,还可以接收来自传感器和逻辑电路的更高级指令,具备感知能力和可编程性,进行丰富复杂的活动。

  甚至,有一天,它可能成为我们体内的常驻工程师,用一根微小的针头,就可以将成千上万个机器人注射进我们的身体,完成各种功能。就像现在,它们已经可以顺利通过针头,并毫发无损。

  小到极致的微型机器人,即使通过针头,再注射进人体,也毫发无损。|MarcMiskin, et al

  不可避免的瓶颈,和非凡的应用前景

  不过,凡事总有一些局限性。这款机器人,目前也面临一些瓶颈。

  比如,就现下而言,它们还未能摆脱人的直接控制。换句话说,仍是一群提线木偶。其能量来源、计算和决策元件与本体都是分开的,还需要研究人员用激光照射才能为机器人提供指令。

  而这本质上依然是一种尺寸限制。如果能够制造出完全自主的机器人,将能量存储、逻辑电路和传感器结合起来,当然会有更加广阔的应用前景。但在小尺度上面临着更加严苛的技术限制,能够在500微米大小的微型机器人上实现的功能,对50微米的机器人可能异常困难,对5微米的机器人或许就不可能了。

  所以,这款机器人目前更多是作为一种模型,在尚未突破技术限制之前,为我们展示微型机器人的非凡应用前景。如果有一天我们突破了这所有瓶颈,那么就将真正迎来一个人造的微观世界。

  在那里,无数机器人像细菌一样生活在我们的组织和血液里,提醒我们可能的健康风险,以及择机进行外科手术;当细胞癌变时,它们又聚拢起来,与一个个癌细胞奋勇作战,并通过手机告诉我们病情。

  当我们的孩子们去野外取一滴水,放在显微镜下,看到的将不止有草履虫和细菌,还可能有一个个小机器人,见证我们与自然的奇异互动。

  真的很期待那一天到来,不知道你是否和我一样呢。

  论文原文:

  Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots. Nature 584, 557–561(2020)

  参考信息:

  https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9

  https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2

  https://www.nature.com/articles/d41586-020-02486-z

  https://www.ted.com/talks/paul_mceuen_and_marc_miskin_tiny_robots_with_giant_potential#t-774764

    文章由“十点科学”(ID:Science_10)公众号发布,转载请注明出处。


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