肉眼看不见的微型机器人来了。一次制造一百万个。它们将来可以探索大脑

想象一下，使用手机应用程序来控制你体内的数千个机器人医生跳舞……这个场景似乎并不遥远。

作者：高佩文、陈天真

孩子和大人都喜欢机器人。我们在很多电影里都见过机器人，但很少有人知道机器人发展到什么程度了。波士顿的机器狗当然很吸引人，能像人一样旋转、跳跃、翻跟头的机器人也让人眼前一亮。然而，正如宏观世界之下还有微观世界一样，微型机器人也是一个不容小觑的阵地。

机器人会翻筋斗和旋转，动作非常流畅。| 波士顿机器人公司

想象一下，有一天你买了一部手机，上面有一个应用程序，可以控制你体内的数千个微型机器人，监测你的健康状况，甚至可以让机器人在你的血管里随着音乐跳舞。那一定是那种感觉！

其实，这一幕似乎并不遥远。至少，你现在就可以制造出这些机器人，并将它们注射到你的身体里（当然，暂时没人关心后果）。而且这些机器人确实应该不会太便宜，因为它们可以量产，一下子就能“打印”出数百万个，每个只需几美分，而且它们还非常灵活！

研究人员甚至还在开发尺寸小于 0.1 毫米（大约相当于人类头发的宽度）的微型步行机器人，他们希望有朝一日能将它们放入人脑中，聆听神经元的声音。

研究人员于八月份在《自然》杂志上发表了详细研究成果。

新型执行器使微型机器人成为可能

我们之前可能已经听说过很多微型机器人，比如DNA折纸机器人（用单链DNA组装而成的药物输送机器人，依靠人体的循环系统进行移动）、多足软体机器人（用柔软的硅片制成的机器人，下面有数百条毛茸茸的腿，可以在外界电磁装置的辅助下在人体内高效移动），甚至还有治愈性活细胞机器人（由皮肤细胞和心肌细胞组合而成的机器人，可以通过心肌细胞的收缩产生不对称的力量，完成特定的动作）等等。

可打开释放药物的六角形 DNA 纳米管机器人（左）和可运送胶囊的长腿软微型机器人（右，插图）| 来自相关论文

但它们似乎都很昂贵，或者存在各种缺点，比如不够灵活、无法交流、功能单一、远离现实、引起免疫反应、体积较大……等等。

此次，康奈尔大学的科学家用一种非常简单的方法，制造出一种可以与外界沟通、功能广泛的微型机器人，其尺寸可以小于0.1毫米，一次性可以制作数百万个，如果配合使用，应用前景十分可观。

这款机器人应用的核心，是它有一个相对成熟的“脑袋”；它的关键突破，是它拥有一种新型的“腿”。从这个迷人的小东西上，我们可以看到科学家是如何在现有技术之上，通过一个“小”的创新，实现惊人的技术突破的。（其实它的“脑袋”也来自于同一团队成员之前的创新，团队可以说是“一步一个脚印”的。）

微型机器人结构图，有头和腿。|等

首先说一下它的头部，当然这个部分是现成的，机器人头部的制造工艺来自于现有的半导体制造技术。

随着摩尔定律发展了 50 多年，半导体行业正在利用越来越先进的生产工艺来制造越来越小的设备。现在，这些工艺可以将数百万个晶体管放入大约相当于单细胞草履虫大小的空间中。不仅如此，它们还可以生产微型传感器、LED 屏幕和一堆小到看不见的封装。

（摩尔定律的意思是，在价格不变的情况下，大约每隔18到24个月，集成电路上可容纳的元器件数量就会翻一番，性能也会翻一番。它是戈登·摩尔在1965年提出的，目前已经接近瓶颈。）

这是微型机器人的基础，也是目前所有智能机器的基础。

我们可以想象一个没有腿的机器人会是什么样子。是的，它看起来就像你手里的智能手机。不到15年的时间，它就占领了世界。它不仅非常智能，拥有一流的通信功能，而且可以一手握住。里面的元件非常多，你必须把它放在显微镜下才能看清芯片上的电路。

这款来自康奈尔大学的微型机器人的头部与之类似，就像是手机级别的智能手机，搭载了专门的应用程序，尺寸也比普通手机小几万倍，被称为光学无线集成电路（OWIC），上面有小型太阳能电池，如果用光照射它，它就会激活小电路，驱动微型 LED 屏幕，与外界进行交流，就像萤火虫一样。

微型机器人的头部包含一个可以通过光激活的光学无线集成电路。|等

很酷的是，我们有不同的 OWIC 带有不同的传感器（将不同的信号转换成电信号），有些可以测量电压，有些可以测量温度，有些只是一盏闪烁的灯来告诉你它在那里。这些 OWIC 被用作微型安全智能标签，其识别性比指纹更好。因此它们也用于其他医疗设备中以获取更多信息，甚至可以放入大脑中监听神经元并通过 LED 闪烁发送信号。

不过，这只是一个“头”，没有腿，无法移动。要成为真正移动的机器人，必须有腿。

于是，科学家们基于此，给它开发了一套可以活动的腿，或者我们可以称之为——执行器。在显微镜下，你可以看到它在电压作用下会卷曲起来。

腿非常小，与微型头部完美贴合，以至于红细胞看起来就像筷子旁边的甜甜圈。用肉眼是看不到的。

科学家给 OWIC 做的腿原本是直的，但当施加电压时，它们就会卷起来。|, et al

原始的条纹腿，伸展和收缩。|，等

它是如何移动的呢？原来，动力来自于沉积在腿上的铂层——大约有十几个原子层厚。如果将铂放入水中并施加电压，水中的原子就会根据电压的大小附着在铂表面或脱离铂表面，从而产生力。通过吸附或驱离铂表面的原子层，可以控制腿的运动，因为腿只有一侧是铂，另一侧是钛或其他材料。

由于这些条状的腿非常细，因此可以反复弯曲和伸直而不会断裂。研究人员还使用硬板（刚性聚合物）制作了图案，这些图案有缝隙，就像人类的膝盖和脚踝一样，使腿可以随意弯曲并执行所需的动作。

微型机器人的模拟。请注意腿部，其条带上有小硬板。|，等

这样，一个有头有腿的微型机器人就出现了，它既有思想，又有驱动力。OWIC 是它的大脑，为我们提供传感器和电源（将光转换成电压），也能通过光与我们互动。铂层是让机器人四处移动的肌肉，只要将激光投射到 OWIC 的不同太阳能电池板上，产生电压，它就能选择驱动哪条腿移动，这样它就能行走了。

利用光刻技术实现量产

但这项研究更令人惊奇的并不是机器人有多小巧灵活，而是它可以大规模生产，一次可以生产数百万个。

你会以为这些头和腿是分开制作，然后拼凑在一起的。其实不然。它们是利用光刻技术制作的，就像制作传统芯片一样，类似于一层层打印，先在芯片上一起“打印”，然后用化学药品从底部基板上“摘”下来。头和腿可以同时打印，一次“打印”就是几百万个，一次“摘”下来就是一支机器人大军。离开基板后，它们可以自由折叠成成品的形状。

看看浸泡在化学物质中的机器人迷你机器人，研究人员正在用移液器将其移到其他地方。|，等人

据悉，在一块4英寸（约10厘米）的硅片上可以制造一百万个这样的机器人，它只需要很低的电压和很少的能量就能移动，能源利用效率非常高，而且非常坚固，可以承受各种酸碱环境和200摄氏度以上的温度变化，制造完成后20秒内就能活动自如。

由于非常微弱的电流就能控制其腿部运动，因此它们与微电子电路的集成潜力巨大，可以与传感器和逻辑元件（升级后的头部）无缝集成。这意味着未来这些机器人不仅能完成行走等简单任务，还能从传感器和逻辑电路接收更高级的指令，具备感知能力和可编程性，执行丰富复杂的活动。

甚至，有一天，它可能成为我们的常驻工程师，用一根细小的针头，将成千上万个机器人注射到我们的身体里，执行各种功能。就像现在一样，它们可以顺利、毫发无损地穿过针头。

这种微型机器人非常小，可以注射到人体中而不会造成任何损伤。|等

不可避免的瓶颈和非凡的应用前景

然而任何事物都有其局限性，这款机器人目前也面临一些瓶颈。

比如，目前它们还无法脱离人类的直接控制，也就是说，它们还是一群傀儡，它们的能量来源、计算和决策部件都与主体分离，需要研究人员用激光给机器人提供指令。

这本质上还是尺寸限制，如果能制造出集储能、逻辑电路和传感器于一体的全自主机器人，必将有更为广阔的应用前景。但在小尺度上，它面临着更为严格的技术限制，在500微米微型机器人上能实现的功能，对于50微米的机器人来说可能极为困难，而对于5微米的机器人来说，可能根本做不到。

因此，这款机器人目前更多的是一个模型，在我们突破技术限制之前向我们展示了微型机器人非凡的应用前景。如果有一天我们突破了所有这些瓶颈，我们将真正迎来一个人工微观世界。

在那里，无数的机器人像细菌一样寄居在我们的组织和血液里，提醒您可能的健康风险，选择合适的时机进行手术；当细胞发生癌变时，它们聚集在一起，勇敢地与每一个癌细胞作斗争，并通过手机告诉我们它们的状况。

当我们的孩子到野外，拿一滴水放在显微镜下，他们不仅会看到草履虫和细菌，还会看到小小的机器人，见证我们与大自然令人惊叹的互动。