設(shè)計(jì)一群完全自主運(yùn)行的亞毫米級機(jī)器人，即便不算天方夜譚，聽起來也是一項(xiàng)成本高昂的任務(wù)。然而，賓夕法尼亞大學(xué)與密歇根大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)不僅研發(fā)出了新一代創(chuàng)紀(jì)錄的太陽能驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人，其單臺(tái)制造成本更是僅需 1 美分。這類機(jī)器人有望推動(dòng)納米技術(shù)制造、醫(yī)學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。賓夕法尼亞大學(xué)工程師 Marc Miskin 表示，該團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)突破性成果，還破解了困擾機(jī)器人領(lǐng)域長達(dá)數(shù)十年的技術(shù)難題。

“制造出尺寸小于 1 毫米且能獨(dú)立運(yùn)行的機(jī)器人，難度超乎想象。” 他在一份大學(xué)專題報(bào)道中提到，“過去 40 年間，整個(gè)領(lǐng)域幾乎都卡在了這一難題上。”

完整機(jī)器人與 1 美分硬幣上的年份字樣對比，直觀呈現(xiàn)其微小尺寸。

表面積效應(yīng)成為關(guān)鍵阻礙

Marc Miskin 及其團(tuán)隊(duì)近期在《Science Robotics》和《Proceedings of the National Academy of Sciences》中詳細(xì)闡釋，制造該尺寸全自主機(jī)器人的核心難題源于物理規(guī)律的限制。包括人類在內(nèi)的大型物體，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要由慣性和重力主導(dǎo)；而物體尺寸越小，就越容易受到粘性、阻力等與表面積相關(guān)因素的影響。

“當(dāng)物體小到一定程度，在水中行進(jìn)的阻力就好比在瀝青里奮力推進(jìn)。”Marc Miskin 解釋道。

這意味著，像機(jī)械臂、機(jī)械腿這類適用于宏觀世界、依靠慣性和重力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，在微觀尺度下會(huì)因結(jié)構(gòu)過于脆弱而完全失效。要解決這一問題，研究人員必須從全新角度重新設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)方式 —— 一種基于電學(xué)原理的驅(qū)動(dòng)方案。

這款機(jī)器人的尺寸約為 200×300×50 微米，比一粒鹽還要小。即便如此，當(dāng)置于溶液環(huán)境中時(shí)，它仍能通過搭載的微型太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電場。電場會(huì)推動(dòng)周圍的離子，進(jìn)而帶動(dòng)水分子流動(dòng)，以此為機(jī)器人提供前進(jìn)動(dòng)力。這些機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)，通過調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度，每臺(tái)機(jī)器人既可以獨(dú)立行動(dòng)，也能像魚群一樣協(xié)同完成復(fù)雜的編隊(duì)運(yùn)動(dòng)。

“這就好比機(jī)器人身處一條流動(dòng)的河中，同時(shí)它自身也在推動(dòng)河水流動(dòng)。”Marc Miskin 這樣形容。

該機(jī)器人完全沒有活動(dòng)部件，所有動(dòng)作均由電子信號(hào)驅(qū)動(dòng)。這一設(shè)計(jì)使其比那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機(jī)器人具備更高的耐用性。在 LED 光源的持續(xù)供電下，這些機(jī)器人能夠在溶液中連續(xù)游動(dòng)數(shù)月之久。但即便兼具低成本與創(chuàng)新性，若無法執(zhí)行實(shí)際任務(wù)，這款機(jī)器人也毫無價(jià)值。要實(shí)現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行，就必須進(jìn)行編程。而尺寸限制再次成為研究團(tuán)隊(duì)需要攻克的難關(guān)。

75 納瓦的超低功耗挑戰(zhàn)

計(jì)算機(jī)小型化的核心難點(diǎn)在于空間限制。計(jì)算機(jī)尺寸越小，可用于容納電源、存儲(chǔ)器和電路的空間就越少。顯然，這對機(jī)器人設(shè)計(jì)者而言是一大難題。

“電子系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)在于，機(jī)器人搭載的太陽能電池板尺寸極小，輸出功率僅為 75 納瓦。” 密歇根大學(xué)工程師 David Blaauw 補(bǔ)充道，“這一功率還不到智能手表功耗的十萬分之一。”

為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)不得不研發(fā)全新的電路設(shè)計(jì)方案。新電路可在低電壓下運(yùn)行，將機(jī)器人的功耗降低至最初設(shè)計(jì)需求的千分之一以下。由于太陽能電池板占據(jù)了機(jī)器人的絕大部分空間，Marc Miskin 與 David Blaauw 需要進(jìn)一步探索如何在剩余空間內(nèi)集成處理器與存儲(chǔ)器。

“我們必須徹底重構(gòu)計(jì)算機(jī)程序指令，將傳統(tǒng)方案中需要多條指令才能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制功能，壓縮成一條專用的編程指令。”David Blaauw 說。

微型機(jī)器人以一張薄片形式制作（左上角），面積大致相當(dāng)于指尖（左下角）。每個(gè)機(jī)器人都包含用于收集能量的太陽能電池，其中一些還兼作光學(xué)接收器，微型機(jī)器人兩側(cè)各有一個(gè)用于檢測差異的溫度傳感器，一個(gè)用于接收信息和決策的處理器，以及四個(gè)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器面板。四個(gè)接收器允許機(jī)器人識(shí)別是否有接收程序的發(fā)址。

機(jī)器人搖晃舞

目前的微型機(jī)器人原型搭載了高精度傳感器，溫度檢測精度可達(dá) 0.33 攝氏度。理論上，機(jī)器人集群能夠在溶液中朝著溫度更高的區(qū)域移動(dòng) —— 這類區(qū)域往往是細(xì)胞活動(dòng)活躍的標(biāo)志，進(jìn)而完成單個(gè)細(xì)胞健康狀況的檢測任務(wù)。但別忘了尺寸限制這一關(guān)鍵問題：要將探測結(jié)果反饋給研究人員，其通信方式必須簡潔到能在沙粒大小的載體上實(shí)現(xiàn)。幸運(yùn)的是，大自然的進(jìn)化機(jī)制為研究團(tuán)隊(duì)提供了靈感。

“這種通信方式與蜜蜂的交流模式極為相似。”David Blaauw 表示，“為了反饋溫度檢測數(shù)據(jù)，我們設(shè)計(jì)了一條專用計(jì)算機(jī)指令，讓機(jī)器人通過特定的‘搖擺舞’動(dòng)作，對測得的溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。隨后，研究人員借助顯微鏡與攝像頭觀察這些動(dòng)作，就能從機(jī)器人的‘舞姿’中解讀出它們所傳遞的信息。”

盡管這款微型機(jī)器人已展現(xiàn)出驚人性能，但 Marc Miskin 與 David Blaauw 認(rèn)為，這僅僅是全新領(lǐng)域的開端。未來通過持續(xù)改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)，有望研發(fā)出速度更快、功能更復(fù)雜的機(jī)器人，還可加裝更多傳感器，使其能夠適應(yīng)更為復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。

“我們已經(jīng)證明，能夠在一個(gè)小到幾乎看不見的載體上集成‘大腦’、傳感器和‘發(fā)動(dòng)機(jī)’，并使其穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)月之久。”Marc Miskin 說，“一旦奠定這一基礎(chǔ)，我們就能為其逐步添加各類智能功能與應(yīng)用模塊。”