微型機(jī)器人大軍（版權(quán)：Criss Hohmann）
細(xì)胞大小的機(jī)器人大軍深入人體，在體內(nèi)隨意游走，這在幾年前聽起來像極了科幻電影。但如今，這一技術(shù)已成為現(xiàn)實，且最近又收獲了新的突破。
撰文｜惠 鑫
責(zé)編｜何義均 戴 威
一直以來，人們希望將電子器件微型化，生產(chǎn)出細(xì)胞大小的機(jī)器人，但缺乏符合需求的微米級致動器系統(tǒng)，限制了這一目標(biāo)的實現(xiàn)。微米級致動器系統(tǒng)需要滿足兩個基本要求：可與半導(dǎo)體處理無縫集成，并可響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電子控制信號。8月26日，《自然》發(fā)表的一篇研究推進(jìn)了微型機(jī)器人的發(fā)展?？的螤柎髮W(xué)納米科學(xué) Kavli 研究所的 Marc Z.Miskin 及其合作者研究了一類新型電化學(xué)致動器（SEA），它們與現(xiàn)有硅電子器件兼容，電壓可控，能夠喚醒機(jī)器人，使得它們移動 [1]。2018年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)出細(xì)胞大小、并且能夠感知外部環(huán)境、儲存數(shù)據(jù)并執(zhí)行計算任務(wù)的微型機(jī)器人，之后又在二維石墨烯材料和電路材料上進(jìn)行 “全自動射孔”，也就是在材料上打出細(xì)小的點（如下圖所示），開發(fā)出了一種大規(guī)模制造細(xì)胞大小機(jī)器人的方法 [2]。這種被稱為 “syncells”（合成細(xì)胞）的微觀設(shè)備，有望用于工業(yè)或生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測。石墨烯片上的“全自動射孔”。圖源[2]
致動器（actuator）又稱為驅(qū)動器，是機(jī)器人行走的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的壓電致動器雖然非常適合毫米級的機(jī)器人，但當(dāng)曲線彎曲變化程度達(dá)到微米級時，其縮放比例無法運(yùn)行 [3-5]，另外散熱效率低下，且由于熱量的快速擴(kuò)散而難以在小尺寸情況下進(jìn)行單一處理。導(dǎo)電聚合物微致動器，受到用于微細(xì)加工的化學(xué)品（溶劑，顯影劑和蝕刻劑）的破壞，很難集成到硅加工環(huán)境中。而基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)或化學(xué)的致動器無法響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電子控制信號 [1]。
釋放前的微型機(jī)器人（Marc Z.Miskin）
相比較而言，這個新開發(fā)的機(jī)器人尺寸小于0.1毫米，微型機(jī)器人最大厚度為5微米，寬度和長度尺寸分別為40微米*40微米或40微米*70微米。激光脈沖刺激，圖源[1]
這項研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于新型電化學(xué)致動器（SEA）。它構(gòu)成了機(jī)器人的腿，由納米級的鉑制成，并由標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制造。SEA受到激光脈沖刺激時，就會彎曲，驅(qū)動機(jī)器人行走。
分布有機(jī)器人的芯片光學(xué)圖像。 芯片是從一個四英寸的晶片上切下來的，表面上有大約一百萬個微型機(jī)器人。圖源[1]
新型致動器可在低電壓（200毫伏）下從平面彎曲成曲面，而且這一過程可逆，消耗的能量才不到10納瓦，并且與硅加工完全兼容，實現(xiàn)了與半導(dǎo)體工藝無縫集成，使其更容易將電子器件微型化，以生產(chǎn)細(xì)胞大小的機(jī)器人。為展示新型電化學(xué)致動器的潛力，研究者在4英寸晶圓上創(chuàng)造了一個行走的超百萬數(shù)量的微型四腳機(jī)器人大軍，意味著可規(guī)模化生產(chǎn)的、與硅電子器件兼容的功能性機(jī)器人邁出了重要一步。研究者分析認(rèn)為，SEA滿足了電控微型機(jī)器人致動器的所有要求：曲率半徑小、低壓致動、低功率、持續(xù)的力輸出和穩(wěn)定性 [1]。SEA可用于需要微米級致動器的任何應(yīng)用中，且任何能夠提供200毫伏電壓和約10納瓦功率的電源都可以充當(dāng)控制器。就目前而言，這是世界上唯一滿足這些優(yōu)勢的致動器。
作為已知的第一個尺寸小于0.1毫米的機(jī)器人，它們由高度穩(wěn)定的材料制成，能在高酸性環(huán)境和超過-73.15攝氏度的溫度變化中生存下來。這樣的機(jī)器人足夠小，可以通過皮下針頭注射到生物體內(nèi)并保持機(jī)械性能，可以自主地探索微環(huán)境，還能使用局部的感覺輸入和反饋直接與生物系統(tǒng)進(jìn)行交互，為探索生物環(huán)境內(nèi)的應(yīng)用帶來了可能。這些機(jī)器人目前功能有限，比如它們比其他游泳機(jī)器人慢，不能感知環(huán)境，而且缺乏綜合控制。不過，它們與現(xiàn)有硅技術(shù)（CMOS：一種制造大規(guī)模集成電路芯片用的技術(shù)）的兼容性，使其能夠快速發(fā)展更多的功能。此外，研究者估計 [1]，每個微型機(jī)器人的制造成本遠(yuǎn)低于一美分，為規(guī)模化應(yīng)用降低了成本。1959年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者費(fèi)曼（Richard Feynman）曾設(shè)想，未來的某一天，人類手術(shù)將由可以自行在體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)和藥物釋放的微型機(jī)器人在人體內(nèi)來完成。新型電化學(xué)致動器技術(shù)的突破，或?qū)椭匦聠拘堰@一 “曾經(jīng)的科幻”。參考鏈接
[1] Miskin, M.Z., Cortese, A.J., Dorsey, K. et al.2020.Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots. Nature. 584:557–561.[2] https://news.mit.edu/2018/how-mass-produce-cell-sized-robots-1023[3] Piazza, G.,Felmetsger,V.,Muralt,P.,Olsson,R.H.III&Ruby,R. 2012.Piezoelectric aluminum nitride thin films for microelectromechanical systems.MRS Bull.37,no.3: 1051–1061.[4] Sinha,N.etal.2009.Piezoelectric aluminum nitride nano electro mechanical actuators. Appl.Phys. Lett. 95, 053106.[5] Zaghloul, U. & Piazza, G. 2013.10–25 nm piezoelectric nano-actuators and NEMS switches for millivolt computational logic. In 2013 IEEE 26th Intl Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 233–236.
