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最小微型機器人來了!細如發絲,可游走于人體探索大腦信號

2020-08-27 來源:中國企業網責任編輯:中國企業 瀏覽數:1695 中國企業網_中國企業全球門戶網站

核心提示:像小說《科學怪人》中弗蘭肯斯坦的 怪物 蘇醒過來一樣,在一塊計算機芯片大小的硅晶圓片上并排放置的數萬個微型機器人,只需要照射一束激光,它們就可以掙脫束縛、自由爬動......盡管這樣的場景聽起來非??苹?,但如

 像小說《科學怪人》中弗蘭肯斯坦的 “怪物” 蘇醒過來一樣,在一塊計算機芯片大小的硅晶圓片上并排放置的數萬個微型機器人,只需要照射一束激光,它們就可以掙脫束縛、自由爬動......

 

 

盡管這樣的場景聽起來非??苹?,但如今微型機器人 “大軍” 確實來了!

 

圖 | 微型機器人 “大軍” 的藝術呈現圖(來源:Criss Hohmann)

 

“我們能為你最喜歡的硅電子器件安上雙腿,然后制造一百萬個這樣的器件,這是我們的愿景。” 美國賓夕法尼亞大學電氣與系統工程教授馬克·米斯金(Marc Miskin)說。


米斯金說的 “器件” 正是腿長不足 0.1 毫米(約為一根人類頭發的直徑)的機器人。據米斯金此前表示,這些 “帶有雙腿” 的微型機器人可用于修復手機電池,甚至探索人類大腦信號。而且由于可以通過皮下注射進入人體,微型機器人在生命科學領域的更多應用也值得期待。

 

圖 | 研究人員設想使用草履蟲旁的微型機器人測量大腦中的信號(來源:馬克·米斯金)

 

米斯金及其團隊成功研發出可行走的微型機器人 “大軍”,得益于一類與現有硅電子器件兼容的新型致動器(使機器人移動的部件)的發展。相關研究成果于 8 月 26 日發表在《自然》雜志(Nature)上。


(來源:Nature


近年來,將電子器件微型化以生產細胞大小的機器人一直是人們追求的目標,得益于電子、磁性和光學系統的技術突破,單單研發一種小體積、低成本、低功耗的機器人并不難,但由于缺乏合適的微米級致動器系統,無法與當前的半導體工藝無縫集成,且無法正常響應標準電子控制信號,這一領域的發展一直受到限制。

 

“借助現有技術制造 100 微米大小的硅芯片并不是什么難事,我們要做的是,研發機械臂和致動器的外骨骼。” 美國康奈爾大學物理學家保羅·麥克尤恩(Paul McEuen)說。


在最新研究中,米斯金及其同事展示了一類新型電化學致動器,克服了這一技術問題。這些致動器構成了機器人的雙腿,其尺寸小于 0.1 毫米,當受到激光刺激時,就會彎曲,產生行走動作。研究人員在一塊 4 英寸大小的硅片上制造了超過 100 萬個行走機器人,這些機器人由板載硅太陽能電池驅動。

 

早在麥克尤恩實驗室工作期間,米斯金就開發了一種將鉑、鈦層放在硅晶圓片的技術:當施加電壓時,鉑收縮而鈦保持剛性,平坦的表面彎曲,彎曲的表面產生驅動機器人四肢向前移動的動力。


但這個想法在當時并不新鮮。幾十年來,加州大學伯克利分校的克里斯·皮斯特(Kris Pister)等研究人員一直在談論 “智能塵埃”——一種可以報告環境狀況的微型傳感器。但在開發實用版本時,為適應電池需求,“智能塵埃” 變得更大,更像 “智能砂礫”。

 

米斯金想辦法擺脫了電池的束縛,他通過向機器人背上的微型太陽能電池板照射激光,來為它們提供能量。

 

“我認為這真的很酷,” 皮斯特在談到米斯金、麥克尤恩的工作時稱贊道,“他們制造了一個可以通過照射光線來控制的微型機器人,這可能會有各種有趣的應用。”

 

米斯金表示,這些機器人也很堅固,可以在高酸性環境和超過 200 開爾文的溫度變化中生存下來,并且可以通過皮下針頭注射,為探索生物環境內的應用帶來了可能。

 

盡管這些機器人的功能目前有限,比其他游泳機器人慢,也不能感知環境,而且缺乏綜合控制,但米斯金認為,與現有硅技術的良好兼容性或有助于未來更多功能的開發,他希望未來幾年可以向人們展示更加實用的微型機器人。


最后,附上米斯金和麥克尤恩去年在 TED 的演講分享。

 

-End-

 

參考:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9

https://news.cornell.edu/stories/2020/08/laser-jolts-microscopic-electronic-robots-motion

https://www.seas.upenn.edu/~mmiskin/

https://www.nytimes.com/2019/04/30/science/microbots-robots-silicon-wafer.html

https://www.ted.com/talks/paul_mceuen_and_marc_miskin_tiny_robots_with_giant_potential#t-774764


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