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康奈尔大学研制的微型机器人（图源：Cornell University）
1959年，诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德·费曼首次提出了医用微型机器人的概念。他预测，在未来，医用微型机器人可以在人体内进行手术和药物释放，帮助人类完成各种疑难手术。此后，将电子器件微型化以生产细胞大小的微型机器人一直是科学家追求的目标。然而，由于缺乏合适的微型致动器与当时的半导体工艺无缝集成，且微型致动器无法正常响应标准电子控制信号，这一领域的发展一直受到限制。![]()
随着与现有硅电子器件兼容的新型致动器的发展，近日，美国康奈尔大学的物理学教授伊泰·科恩和宾夕法尼亚大学的助理教授马克·米斯金等人研究出一种电化学致动器（SEA），能够推动激光控制的微型机器人在液体中行走，并且可以很容易地与微电子组件集成，以构建完全自主的微型机器人。他们研制的微型机器人尺寸小于人类头发丝的直径，可以植入人体，也可以批量生产，为未来研发更复杂的版本提供了模板。相关研究成果发表在《自然》杂志。致动器（又称驱动器）是机器人行走的关键，传统的导电聚合物致动器易受到用于微细加工的化学品（溶剂、显影剂和蚀刻剂）的破坏，很难集成到硅环境中，而基于光学、声学、磁学、热学或化学的致动器无法响应标准电子控制信号。此外，在液体环境中如何控制微型机器人行走也具有挑战性，因为液体的阻力会阻止微型机器人保持原有的运动状态。![]()
微型机器人的制作工艺及三维结构
为了克服这些困难，研究团队设计了新型电化学致动器充当机器人的“腿”，由纳米级的铂制成，标准光刻工艺制造。微型致动器输入微电流后，制动器会把周围溶液中的离子吸附到它的表面，改变机器人“腿”部的应力，进而使其折叠和展开，最终使微型机器人可以在液体中行走。这种微型机器人约5微米厚（1微米为百万分之一米），40微米宽，长度40-70微米不等。最大的技术亮点是由硅光伏电路板组成的“大脑”和“身体”，由电化学致动器制成的“腿”的尺寸小于 0.1 毫米。具有强度高、耐蚀性的特点，并且能在高酸碱性环境中工作。由于致动器和与硅光伏电路板的制造技术相同，原则上可以采用标准光刻工艺同时制造微型机器人的“大脑”（逻辑电路）和“腿”，“大脑”可以与“腿”无缝集成，并且可以通过流经“大脑”的微电流来控制“腿”的行走。（来源：nature.com）
当激光照射机器人底盘上的硅光伏电路板时，会产生微电流，向机器人发出指令。研究显示，在一块 2.5厘米大小的晶圆上可以制造出超过 100 万个微型机器人，它们以低电压（200毫伏）和低功率（10纳瓦）运行。相对微型机器人的尺寸，属于典型的“人”小力气大。研究团队认为，电化学致动器满足电控微型机器人致动器的所有要求：曲率半径小、低压致动、低功率、持续的力输出和稳定性，可用于微米级致动器的任何应用中，能够提供200毫伏电压和约10纳瓦功率的电源都可以充当它的控制器。由于可以采用现有标准光刻工艺进行大规模生产，并且在此基础上可以开发出更多功能，微型机器人在应用层面很有前景。据研究团队估计，如果进行大规模生产，每个微型机器人的制造成本将低于1美分。虽然这项研究取得了突破性进展，但仍旧存在一些缺陷。比如，与其他相似的机器人相比，这款微型机器人行走迟缓、控制性较差，且对外界的感知能力也很弱。研究团队正在攻克这些难题，研究人员正在探索用更复杂的电子设备、程序来增强机器人能力的方法，这些改进可能会使大批微型机器人具有协同组织、缝合血管、探测人脑未知区域的能力。![]()
研究人员设计了不同形状的微型机器人
该研究的主要作者米斯金称，“微型机器人的应用，相当于将我们带入各种各样微小的神奇世界中。”最为关键的是，基于此种技术研发的医疗机器人将很快出现，并且成为外科手术的利器。参考文献：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9
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