如果你看過科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage），一定不會忘記那艘縮小后進入人體血管的潛水艇。幾十年來，科學家們一直在夢想創造出能進入人體內部、修補細胞的微型機器人。
近日，來自賓夕法尼亞大學和密歇根大學的科研團隊在頂級期刊 Science Robotics 上發表了一項成果。他們成功研制出世界上最小的、全自主且可編程的微型機器人：長約 300 微米，寬 200 微米，厚度僅為 50 微米，比一粒鹽還小，卻集傳感器、計算機、推進系統于一身，每顆成本僅一美分。更重要的是，它們不需要外部磁控、不需要線纜牽引，靠一束 LED 光就能存活數月，自己感知環境、做出決策。
“我們已經將自主機器人的尺寸縮小了 1 萬倍，”賓夕法尼亞大學工程學院電氣與系統工程系助理教授、論文資深作者 Marc Miskin 說。“這為可編程機器人開辟了一個全新的尺度。”
（來源：密歇根大學）
幾十年來，電子產品的體積越做越小，但機器人的微型化進程卻步履維艱。“制造尺寸在毫米級以下且能獨立運行的機器人極具挑戰性，”Miskin 坦言，“該領域已經被這個問題困擾了整整 40 年。”
那么，為什么造一個小機器人這么難？答案是：物理法則變了。
在人類所處的宏觀世界中，重力和慣性等力量主導著物體的運動。然而，當尺度縮小到細胞級別時，與表面積相關的力，如阻力和粘滯力便占據了主導地位。
換言之，在微觀尺度下，肢體驅動等適用于大型機器人的運動策略幾乎失效。極其微小的機械臂不僅容易折斷，制造起來也異常困難。因此，團隊必須設計一套全新的推進系統，一套順應而非對抗微觀領域獨特物理法則的系統。
就像大型水生動物（如魚類）通過向后推水獲得向前的反作用力，從而實現推進一樣。這種新型機器人不需要擺動身體，它們先產生一個電場，推動周圍溶液中的離子。這些離子進而推動附近的水分子，使機器人周圍的水流動起來。“這就好比機器人身處一條流動的河流中，但這流動的河水卻是由機器人自己制造的。”Miskin 解釋道。
機器人可以調節產生這種效應的電場，從而實現復雜的運動模式，甚至能像魚群一樣協調編隊，以每秒一個身長的速度前行。
由于產生電場的電極沒有任何活動部件，這些機器人極其耐用。“你可以用微量移液管將它們反復從一個樣本轉移到另一個樣本中，而不會對其造成損傷，”Miskin 說。在 LED 光源的照射下，它們可以持續游動數月之久。
圖 | 微型機器人電路概覽（來源：Science Robotics）
但要實現真正的自主，機器人需要一個大腦來進行決策，需要電子設備來感知環境并控制推進，還需要微型太陽能電池板來提供能源，而所有這些組件，都必須集成在一塊不足毫米大小的芯片上。這正是密歇根大學 David Blaauw 團隊大顯身手的地方。
Blaauw 的實驗室保持著“世界最小計算機”的紀錄。五年前，當 Miskin 和 Blaauw 在國防部高級研究計劃局（DARPA）舉辦的一次演講中初次相遇時，兩人立刻意識到他們的技術簡直是天作之合。“我們發現，賓夕法尼亞大學的推進系統和我們的微型電子計算機簡直是為彼此量身定做的，”Blaauw 回憶道。盡管如此，雙方仍歷經了五年的艱苦攻關，才造出了第一臺可工作的機器人原型。
“電子系統面臨的核心挑戰在于太陽能電池板太小了，只能產生 75 納瓦的功率，比智能手表的功耗低了 10 萬倍以上。”為了讓機器人的計算機在如此微弱的功率下運行，密歇根團隊開發了極其低壓的專用電路，將計算機的功耗降低了 1,000 倍以上。
即便如此，太陽能電池板還是占據了機器人的大部分空間。因此，第二個挑戰是如何在僅剩的微小空間內塞進處理器和存儲程序所需的內存。“我們必須徹底重新構思計算機指令，”Blaauw 說，“我們將傳統上需要多條指令才能完成的推進控制壓縮為一條特殊的指令，以此縮減程序長度，使其能裝入機器人極小的內存空間中。”
正是這些創新，造就了首款真正能思考的亞毫米級機器人。據研究人員所知，此前從未有人將真正的計算機，包含處理器、內存和傳感器植入如此微小的機器人體內。這一突破使它們成為首批能夠獨立感知并采取行動的微型機器人。
作為首款集成了處理器、內存、傳感器和制動器的亞毫米級機器人，其應用潛力不可估量。
首先，憑借與生物細胞相當的尺寸，它們有望潛入人體內部，實時監測單個細胞的健康狀況（如通過溫度反映細胞代謝活性），甚至進行靶向給藥；其次，通過編程，成群的微型機器人可以像魚群一樣協同工作，在微觀尺度上組裝復雜的微機電系統。
目前，該機器人被視為一個通用的技術平臺。未來版本的機器人將能夠存儲更復雜的程序，移動速度更快，集成新型傳感器，或在更嚴苛的環境中作業。
