近幾十年來，人類一直夢想著創(chuàng)造出能進(jìn)入我們血管里治病的微型機(jī)器人。但一個(gè)殘酷的現(xiàn)實(shí)是：越小越笨。當(dāng)機(jī)器人縮小到毫米以下，它要么得像提線木偶一樣被外部控制，要么就只能執(zhí)行最簡單、最死板的動(dòng)作。

美國賓夕法尼亞大學(xué)及密歇根大學(xué)的研究者們最近干了一件有點(diǎn)瘋狂的事。他們國際頂刊《Science Robotics》上發(fā)表的研究，成功構(gòu)建出了尺寸與草履蟲相當(dāng)?shù)奈⑿蜋C(jī)器人，長寬大約是340微米和210微米，厚度只有50微米，差不多就是句號(hào)的大小。

真正瘋狂的不是尺寸，而是它在這個(gè)尺寸里，放進(jìn)去了一臺(tái)能自主思考的微型電腦，能夠利用機(jī)載計(jì)算、感知、記憶、運(yùn)動(dòng)和通信系統(tǒng)進(jìn)行感知、思考和行動(dòng)，并在不確定的環(huán)境中協(xié)同工作，不需要人工干預(yù)就可以完成任務(wù)。

▍微米級(jí)“縮地術(shù)”：如何把電腦塞進(jìn)細(xì)胞大小空間？

將智能機(jī)器人縮小到細(xì)胞級(jí)別，是工程學(xué)上的巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)尺寸縮減時(shí)，傳統(tǒng)芯片的漏電問題呈指數(shù)級(jí)加劇，能量收集和存儲(chǔ)變得極其困難，動(dòng)力系統(tǒng)的效率也大幅下降。

這個(gè)困行業(yè)四十多年的瓶頸，其實(shí)大自然早已給出了解決方案。在微觀世界中，單細(xì)胞生物如草履蟲雖然沒有中樞神經(jīng)系統(tǒng)，卻能通過細(xì)胞膜上的受體感知環(huán)境變化，并做出相應(yīng)反應(yīng)。

受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種全新的設(shè)計(jì)哲學(xué)：不是簡單地縮小現(xiàn)有機(jī)器人部件，而是從頭構(gòu)建一套符合微觀世界物理規(guī)律的全新體系。

他們采用標(biāo)準(zhǔn)的55納米互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝，在一枚尺寸僅為210×340×50微米的芯片上，集成了完整的機(jī)器人系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括：

• 能量心臟：微型光伏電池，將光能轉(zhuǎn)化為約100納瓦電能，約為普通計(jì)算器功耗的萬分之一）；
• 微型大腦：定制的11位處理器，包含32項(xiàng)11位指令存儲(chǔ)和16項(xiàng)8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，能夠在極低功耗下運(yùn)行定制算法；
• 感官系統(tǒng)：高精度溫度傳感器，能以0.3°C的分辨率感知周圍環(huán)境變化；
• 運(yùn)動(dòng)器官：四個(gè)電極驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電場方向控制機(jī)器人在液體中的運(yùn)動(dòng)；
• 通信窗口：光接收器，通過特定光信號(hào)接收程序指令。

微型機(jī)器人電路概覽

這就像一個(gè)完整的微縮城市，每個(gè)功能區(qū)都被精心規(guī)劃在最合理的位置，最大限度地利用有限的面積和能量預(yù)算。

▍核心突破一：在微觀芯片上實(shí)現(xiàn)神經(jīng)與身體的共融

這項(xiàng)研究的基石，是在同一塊細(xì)胞大小的硅片上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的大腦（計(jì)算與通信）與身體（推進(jìn)與執(zhí)行）。

大腦，就是一個(gè)為微觀世界定制的自主計(jì)算機(jī)。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的核心是一套11位的專用指令集計(jì)算機(jī)。它最大的創(chuàng)新在于，將“感知溫度并存儲(chǔ)”或“按特定波形運(yùn)動(dòng)”等復(fù)雜的機(jī)器人任務(wù)，壓縮為單條指令。這使得機(jī)器人能在僅約16納瓦的超低功耗下，運(yùn)行包含32條指令的程序，處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，并做出決策。

編程方式也極為精巧。一束光同時(shí)充當(dāng)了電源線和網(wǎng)線。機(jī)器人能識(shí)別光信號(hào)中的特定“密碼”，接收新指令。程序一旦載入，它便進(jìn)入完全自主狀態(tài)，不再需要任何外部控制線或電池。

身體，則是一套高效、可控的動(dòng)力執(zhí)行系統(tǒng)。機(jī)器人的身體由四個(gè)微電極驅(qū)動(dòng)。通過編程改變電極的極性，能在周圍液體中產(chǎn)生不同的電場，從而推動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、旋轉(zhuǎn)、畫弧等14種基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)到3至5μm/s。這種電動(dòng)力推進(jìn)方式無需活動(dòng)部件，與芯片制造工藝完美兼容，穩(wěn)定且可靠。

可重新編程的運(yùn)動(dòng)

▍核心突破二：從能執(zhí)行到會(huì)反應(yīng)的智能閉環(huán)

僅僅能“動(dòng)”還不夠，真正的智能體現(xiàn)在能感知并自主反應(yīng)。這正是此項(xiàng)研究超越前作的標(biāo)志性突破。

研究人員為機(jī)器人集成了高精度溫度傳感器，分辨率達(dá)0.3℃。更重要的是，他們通過編程，將傳感器的讀數(shù)與運(yùn)動(dòng)指令直接掛鉤，創(chuàng)造了微觀機(jī)器人的條件反射。

在“溫度梯度攀爬”實(shí)驗(yàn) 中，這種能力得到了生動(dòng)體現(xiàn)：機(jī)器人被賦予簡單的邏輯——尋找更溫暖的地方。

當(dāng)傳感器感到變冷時(shí)，它自主啟動(dòng)弧形運(yùn)動(dòng)進(jìn)行探索。一旦游到更溫暖區(qū)域，便立即切換為原地旋轉(zhuǎn)，標(biāo)志著已找到目標(biāo)。整個(gè)過程完全自主，無需任何外部遙控。

這證明，機(jī)器人已能根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在不同行為模式間智能切換，實(shí)現(xiàn)了從被動(dòng)執(zhí)行到主動(dòng)適應(yīng)的跨越。

由傳感器反饋控制的運(yùn)動(dòng)

▍從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)實(shí)：改變游戲規(guī)則的未來應(yīng)用

這種具有完全自主性的微型機(jī)器人打開了一系列令人興奮的應(yīng)用可能性。每臺(tái)機(jī)器人的制造成本極低，大規(guī)模生產(chǎn)后可能僅為0.01美元，使其具備了廣泛部署的經(jīng)濟(jì)可行性。

醫(yī)療領(lǐng)域?qū)⑹桩?dāng)其沖被變革。想象未來，成千上萬個(gè)微型機(jī)器人作為“靶向藥物快遞員”被注入人體。它們能根據(jù)腫瘤部位的微酸環(huán)境或特定溫度變化，在精確位置釋放藥物，極大提高療效并減少副作用。它們甚至可能執(zhí)行微觀手術(shù)，直接清除血管中的微小斑塊。

在精密制造領(lǐng)域，這些機(jī)器人可以進(jìn)入傳統(tǒng)工具無法觸及的微管道、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片冷卻通道，執(zhí)行高分辨率檢測，提前發(fā)現(xiàn)微裂紋或堵塞問題；在科研中，它們可被部署于微流控芯片，實(shí)時(shí)監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境的參數(shù)變化；在環(huán)境保護(hù)中，它們能深入土壤孔隙或水體微區(qū)域，收集傳統(tǒng)傳感器無法獲取的局部數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)技術(shù)還為微觀尺度下的群體協(xié)作奠定了基礎(chǔ)。通過簡單的“密碼”區(qū)分，不同機(jī)器人可被分配不同任務(wù)。

▍未來：微型機(jī)器人的下一步升級(jí)

盡管取得了突破性進(jìn)展，這項(xiàng)技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。目前的運(yùn)動(dòng)速度仍然較慢，能源效率有待提高，機(jī)器人與外部世界的交互方式也需要進(jìn)一步擴(kuò)展。

研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)規(guī)劃了清晰的技術(shù)路線。

采用更先進(jìn)工藝，將內(nèi)存容量提升百倍，支持更復(fù)雜程序；開發(fā)新型執(zhí)行器，研究電化學(xué)等新型驅(qū)動(dòng)方式，提高運(yùn)動(dòng)效率和可控性；集成更多傳感器，將多種傳感功能融合到單一芯片平臺(tái)；探索新型通信方式，研究化學(xué)信號(hào)、微弱電場等更適合微觀環(huán)境的通信手段。

正如馬克·米斯金教授所展望的，這僅僅是微觀自主智能時(shí)代的開端。他和團(tuán)隊(duì)相信，未來的微觀機(jī)器人群落將具備更復(fù)雜的能力，在人體內(nèi)、工業(yè)系統(tǒng)中乃至更遙遠(yuǎn)的空間里，去執(zhí)行那些我們今天難以想象的任務(wù)。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adu8009