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(jìn)入人體血管的潛水艇。幾十年來，科學(xué)家們一直在夢想創(chuàng)造出能進(jìn)入人體內(nèi)部、修補(bǔ)細(xì)胞的微型機(jī)器人。

近日，來自賓夕法尼亞大學(xué)和密歇根大學(xué)的科研團(tuán)隊在頂級期刊 Science Robotics 上發(fā)表了一項(xiàng)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(jī)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(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)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(shù)月，自己感知環(huán)境、做出決策。

“我們已經(jīng)將自主機(jī)器人的尺寸縮小了 1 萬倍，”賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院電氣與系統(tǒng)工程系助理教授、論文資深作者 Marc Miskin 說?！斑@為可編程機(jī)器人開辟了一個全新的尺度?！?/p>

（來源：密歇根大學(xué)）

幾十年來，電子產(chǎn)品的體積越做越小，但機(jī)器人的微型化進(jìn)程卻步履維艱?！爸圃斐叽缭诤撩准壱韵虑夷塥?dú)立運(yùn)行的機(jī)器人極具挑戰(zhàn)性，”Miskin 坦言，“該領(lǐng)域已經(jīng)被這個問題困擾了整整 40 年?！?/p>

那么，為什么造一個小機(jī)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(dǎo)著物體的運(yùn)動。然而，當(dāng)尺度縮小到細(xì)胞級別時，與表面積相關(guān)的力，如阻力和粘滯力便占據(jù)了主導(dǎo)地位。

換言之，在微觀尺度下，肢體驅(qū)動等適用于大型機(jī)器人的運(yùn)動策略幾乎失效。極其微小的機(jī)械臂不僅容易折斷，制造起來也異常困難。因此，團(tuán)隊必須設(shè)計一套全新的推進(jìn)系統(tǒng)，一套順應(yīng)而非對抗微觀領(lǐng)域獨(dú)特物理法則的系統(tǒng)。

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(shí)現(xiàn)推進(jìn)一樣。這種新型機(jī)器人不需要擺動身體，它們先產(chǎn)生一個電場，推動周圍溶液中的離子。這些離子進(jìn)而推動附近的水分子，使機(jī)器人周圍的水流動起來。“這就好比機(jī)器人身處一條流動的河流中，但這流動的河水卻是由機(jī)器人自己制造的?！盡iskin 解釋道。

機(jī)器人可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生這種效應(yīng)的電場，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動模式，甚至能像魚群一樣協(xié)調(diào)編隊，以每秒一個身長的速度前行。

由于產(chǎn)生電場的電極沒有任何活動部件，這些機(jī)器人極其耐用?！澳憧梢杂梦⒘恳埔汗軐⑺鼈兎磸?fù)從一個樣本轉(zhuǎn)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(xù)游動數(shù)月之久。

圖 | 微型機(jī)器人電路概覽（來源：Science Robotics）

但要實(shí)現(xiàn)真正的自主，機(jī)器人需要一個大腦來進(jìn)行決策，需要電子設(shè)備來感知環(huán)境并控制推進(jìn)，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(xué) David Blaauw 團(tuán)隊大顯身手的地方。

Blaauw 的實(shí)驗(yàn)室保持著“世界最小計算機(jī)”的紀(jì)錄。五年前，當(dāng) 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(shù)簡直是天作之合?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，賓夕法尼亞大學(xué)的推進(jìn)系統(tǒng)和我們的微型電子計算機(jī)簡直是為彼此量身定做的，”Blaauw 回憶道。盡管如此，雙方仍歷經(jīng)了五年的艱苦攻關(guān)，才造出了第一臺可工作的機(jī)器人原型。

“電子系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)在于太陽能電池板太小了，只能產(chǎn)生 75 納瓦的功率，比智能手表的功耗低了 10 萬倍以上?！睘榱俗寵C(jī)器人的計算機(jī)在如此微弱的功率下運(yùn)行，密歇根團(tuán)隊開發(fā)了極其低壓的專用電路，將計算機(jī)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(jù)了機(jī)器人的大部分空間。因此，第二個挑戰(zhàn)是如何在僅剩的微小空間內(nèi)塞進(jìn)處理器和存儲程序所需的內(nèi)存?！拔覀儽仨殢氐字匦聵?gòu)思計算機(jī)指令，”Blaauw 說，“我們將傳統(tǒng)上需要多條指令才能完成的推進(jìn)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(jī)器人極小的內(nèi)存空間中?！?/p>

正是這些創(chuàng)新，造就了首款真正能思考的亞毫米級機(jī)器人。據(jù)研究人員所知，此前從未有人將真正的計算機(jī)，包含處理器、內(nèi)存和傳感器植入如此微小的機(jī)器人體內(nèi)。這一突破使它們成為首批能夠獨(dú)立感知并采取行動的微型機(jī)器人。

作為首款集成了處理器、內(nèi)存、傳感器和制動器的亞毫米級機(jī)器人，其應(yīng)用潛力不可估量。

首先，憑借與生物細(xì)胞相當(dāng)?shù)某叽纾鼈冇型麧撊肴梭w內(nèi)部，實(shí)時監(jiān)測單個細(xì)胞的健康狀況（如通過溫度反映細(xì)胞代謝活性），甚至進(jìn)行靶向給藥；其次，通過編程，成群的微型機(jī)器人可以像魚群一樣協(xié)同工作，在微觀尺度上組裝復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)。

目前，該機(jī)器人被視為一個通用的技術(shù)平臺。未來版本的機(jī)器人將能夠存儲更復(fù)雜的程序，移動速度更快，集成新型傳感器，或在更嚴(yán)苛的環(huán)境中作業(yè)。