指南：江蘇激光聯盟指南：據報道，《Nature》報道了美國康奈爾大學的最新研究成果，該大學的研究人員領導了第一臺帶有半導體元件的微型機器人的研制。機器人的大小和草履蟲差不多，腿可以用激光控制。微型機器人示意圖：來自康奈爾大學和賓夕法尼亞大學.

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據悉，《Nature》報道了美國康奈爾大學的最新研究成果，該校研究人員領導開發了第一個帶有半導體元件的微型機器人。機器人的大小和草履蟲差不多，腿可以用激光控制。

微型機器人示意圖

插圖：康奈爾大學和賓夕法尼亞大學的研究人員建造了一個微型機器人，它由一個簡單的硅光電電路組成。本質上主要是軀干和大腦，四個電化學執行器用來執行腿部功能。當激光照射硅光路時，微型機器人就會行走

1959年，康乃爾大學的理查德費曼曾經做過一個著名的演講：“底部有一個巨大的空間”。在這篇著名的演講中，他提到了一種微制造技術，可以實現驚人的微尺寸。而且，這個底層開始變得越來越擁擠。

目前，康奈爾大學開發的機器人厚度約為5微米，寬度約為40微米，長度范圍為40-70微米。肉眼幾乎看不到，只能用顯微鏡觀察，并且可以很容易地吸入注射器，從而實現了醫療行業應用中的微納機器人手術。

這個微納機器人通過激光照射控制機器人前后腿的交替運動，從而實現在液體中游泳

這種微納機器人，因為體積小，只有草履蟲那么大，大量制造，科學家可以做到“把豆子撒進士兵”，可以一次性批量制造成千上萬個這樣的微納機器人，形成不可估量的“大軍”。

那么為什么這個新工作這么特別呢？在過去十年左右的時間里，科學家們一直在解決困難，努力開發能夠在液體中游泳的微納小型機器人。曾經，它們比康奈爾大學制造的機器人體積更小，行走更快。那么這個微納迷你機器人有什么獨特之處呢？

首先，微型機器人采用類似于制造芯片的制造工藝。一個4英寸的晶圓可以生產100多萬個機器人。

皮帶的超薄特性使機器人的腿可以快速彎曲而不會斷裂

電子集成微納小型機器人并行批量制造

微納機器人是由康奈爾大學領導的研究創造的，它集成了半導體元件，使機器人易于控制，并使機器人的行走在標準電子信號的控制下可控。

這些只有草履蟲大小的機器人，為制造更復雜版本的機器人提供了模板，可以利用硅基智能技術批量制造，甚至在未來的某一天應用于人體組織和血液。

這項合作研究是由物理教授Itai Cohen和物理科學專業教授約翰紐曼(John A. Newman)的保羅麥克尤恩(Paul McEuen)完成的，兩人都在科學與藝術學院工作，他們的前博士后研究員馬克米斯金(Marc Miskin)現在是賓夕法尼亞大學的助理教授。

微納機器人的制造與發布

該研究小組的研究結果發表在今年的《Nature》雜志上，標題為“電子集成、大規模制造的微型機器人”。

微納機器人的制造非常困難，尤其是在設計小型驅動器時，這些驅動器是用來驅動機器人行走的電機。傳統的驅動器在如此小的尺寸下不容易工作，新的驅動器在受到機械力如磁力的驅動時很難與傳統的硅基微電子集成。現在，這個研究小組開發了一種新型驅動器，可以用電力驅動，通過層層堆疊電路來控制。這為微電子研究融入過去50年里難以被人眼看到的微納小型機器人開辟了一條道路。

微型傳感器(圖像來源：亞歷杭德羅科爾特斯)

這款步行機器人是最新的迭代產品，在很多方面都有進化。科恩和麥克尤恩早期的納米尺度機器人是基于微納傳感器和石墨烯的自動折紙機器人。

這個新機器人大約5微米厚(1微米是百萬分之一米)，40微米寬，40到70微米長。每個機器人由一個簡單的硅光電電路組成。它的功能是軀干和大腦，有四個電化學驅動器，起到機器人腿的作用。

像你能看到的任何小機器一樣，制造這種機器人的腿是一項壯舉。

“在這種機器人大腦的背景下，有一種感覺，我們正在談論現有的半導體技術，使機器人小型化和可釋放，”麥克尤恩說，他是下一代納米科學和微系統的聯合主席，也是康奈爾大學卡弗利研究所的負責人。

但是這種機器人的腿以前是不存在的，麥克尤恩說。沒有小型電動驅動器可供我們使用，所以我們必須發明這些驅動器，并將它們集成到電子設備中。

新機器人大約5微米厚，40微米寬，40到70微米長。大約草履蟲大小

利用原子沉積技術和光刻技術，研究小組構建了機器人的腿，腿由厚度約為十個原子的鉑薄帶制成，一側覆蓋有一層惰性鈦。中性放電是通過施加Pt的正電極放電和施加帶電離子在被液體包圍的液體表面上吸收和泄漏而實現的。這些離子驅動暴露的鉑膨脹并彎曲薄帶。這種超薄的薄帶使材料急劇彎曲而不斷裂。為了幫助實現機器人腿部的三維運動，研究究人員在薄帶的頂部進行圖案剛性聚合物板。板子之間的間隙行使膝蓋或腳踝的功能，使得機器人的腿在可控的程度下進行彎曲，由此實現了運動。

研究開發的機器人腿部的光電特性

研究人員通過不同光伏發電，利用激光脈沖的照射來控制機器人的運動，每一次放電可以實現對單獨一個機器人的腿進行驅動。通過控制激光，不斷的對機器人前后腿的光伏進行照射，機器人實現行走。

目前研制的這類機器人從功能上來說還是比較原始的，他們行走的速度還不夠快，而且他們目前還不能具備大量的計算能力，但這次的革新在于我們使得該款機器人可以同標準的微處理芯片制造技術整合在一起，為我們制造更加智能，快速和批量制造微納機器人開辟了一條道路。

機器人理所當然屬于高技術，但他們運行在低電壓（200毫伏）和低功率（10 納瓦）的條件下，并且相對尺寸來說保持著強且有力的特點。因為他們是采用標準的光刻工藝機型制造的，他們可以實現平行制造：在一個4英寸的硅晶圓上可以制造出100萬個機器人。

研究人員目前正在探究一種可以加大機器人的馬力的辦法，同時實現實現復雜的電子和計算功能，這一技術的改進在將來帶來的直接后果就是導致成批的微納機器人在材料中爬行和重組，或者縫合血管，或者集體派遣來探測人體大腦。

控制小微型機器人，也許可以縮成一團，和你一樣親密，我認為這類機器正在進入各種令人驚奇的世界中，任何非常小的卻最終被我們所觀察，Miskin說到，也是一名該論文的作者。

這一研究的最大進展在于為我們提供了令人激動人心的科學機會，研究同活性物質相關的新問題和最終導致未來機器人材料的出現，Sam Stanton說到，他是海軍研究辦公室的項目管理者，是資助該項研究的管理者。

該項研究白得到了美國空軍科學研究辦公室的額外資助，康奈爾大學材料研究中的資助，國家自然科學基金的資助以及康奈爾大學納米科學Kavli 研究所的資助。這項研究工作是在康奈爾大學的納米科學中心和技術研究室完成的。