肉眼不可见的微型机器人来了 未来可探索大脑

　　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。