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Nature:可行走、可注射入人體的四腳機器人“大軍”問世

2020-08-27 10:32
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8 月 26 日,最新一期《自然》雜志發布了由康奈爾大學研究人員創造的首個含半導體元件的行走微型四腳機器人,該機器人尺寸小于 0.1mm(約為人頭發寬度),可通過激光控制其腿部行走。

這種微型機器人大約有 5 微米厚(1 微米是一米的百萬分之一)、40 微米寬、40 到 70 微米長,可由標準光刻工藝制造而成,并能夠進行大規模生產,一個 4 英寸的硅片可同時制造約 100 萬個這種機器人。

每個機器人都由一個硅光電板制成的簡單電路組成,其基本功能類似于軀干和大腦,還有四個電化學驅動器構成了機器人的腿。研究人員以不同光伏閃爍激光脈沖來控制這些機器人移動,每一個脈沖可以給一只腿充電,通過在光電板前后切換激光來控制機器人行走。

它們在低電壓(200 毫伏)和低功率(10 毫微瓦)條件下就可移動。雖然體形微小但十分結實,在未來,這些微型機器人或許可以穿梭在人體組織和血液中,執行外科醫生的操作,縫合血管,探測人類大腦等。

本研究的第一作者、康奈爾大學納米科學 Kavli 研究所 Miskin 表示,“控制一個微型機器人就如同控制一個縮小版的你,它們可以帶我們進入各種各樣的微型世界。”

數以千計的機器人“大軍”

一個機器人走過顯微鏡載玻片

一個微型機器人繞圈行走

通過生產微型化電子器件來制造細胞大小的機器人一直是人們追求的目標。

早在 1959 年,諾貝爾獎得主 Richard Feynman 就表示:“讓外科醫生進入身體內部(即制造一個可以通過血管進行手術的微型機器人)將會十分有趣。”

這個對于未來醫療的美好愿景凸顯了將納米級微型機器人部署到微觀世界的重要性。然而,這一想法談何容易。

首先,在液體中控制微型機器人的移動十分具有挑戰性,因為在液體中強大的阻力使得微型機器人無法保持動力,因此該技術一直受到限制,十幾年來科學家一直致力于開發在液體中行進的微米級驅動器。

慶幸的是,Miskin 及其同事采用一些策略來克服制造微型機器人的技術挑戰,通過利用太陽能電池開發出了一款微型驅動器,成功克服了這個問題。

當激光照射到光電板上時,機器人就能行走(來源:康奈爾大學)

這些驅動器構成了機器人的腿,它可以將能量轉換為動力。當給予該裝置極少量的電流時,它就會折疊和展開。電流可使周圍溶液中的離子吸附到驅動器表面,改變機器人腿上的力,從而使腿彎曲。

然后,研究人員將這些機器人腿部與中央底盤上的幾塊太陽能電池相連。當研究人員使用激光照射這些太陽能電池時,微型機器人的腿就可以彎曲和伸直。當研究人員使用激光在機器人前腿和后腿交替照射時,就可以推動機器人移動。

值得注意的是,這些微型機器人的尺寸小于 0.1 毫米,一塊 4 英寸的硅片可同時制造超過 100 萬個行走微型機器人。該團隊表示,這是目前已知的第一個尺寸小于 0.1 毫米的機器人,激光用于控制驅動。

由于它們是由高度穩定的材料制成的,所以很堅固,能在高酸性環境和超過 200-k 的溫度變化中生存下來。

這些機器人和草履蟲等微生物差不多大(來源:康奈爾大學)

此外,微型機器人能夠被移液器和注射器安全吸入,并像化學物質一樣通過皮下針頭注射,由于它們體型微小,因而可以通過最小型號的皮下注射針頭,并且在注射后也可維持機械功能,這樣一個微型機器人為探索生物內環境帶來了可能。

研究人員還將這個微型機器人稱為“牽線木偶”,因為操作員可以通過激光照射機器人底盤上的太陽能電池來提供指令。而它主要的缺點也在于,這些機器人必須始終與它們的能力和信息源“拴在一起”。

不過,目前這些微型機器人功能仍有限,它們不能自動行走,移動速度比大多數游泳機器人慢,且不能感知環境,缺乏磁引導微型機器人的控制。

一組微型機器人“隊列”

盡管如此,這些微型機器人仍然具有巨大潛力,它們能與標準的 CMOS 處理兼容。研究人員目前正在探索使用更復雜的電子裝置和計算方法來改進機器人。

在未來,這種微型機器人不僅能在液體中移動,還可以使用車載傳感器和邏輯電路輸入更高級的指令,執行更加復雜的操作,這將使我們離 Feynman 的設想更進一步。
排版:趙辰霞
編審:王新凱

圖片標題

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯系舉報。

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