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激光驱动的机器人大军!Nature:机器人尺寸小于 0.1 毫米,4 英寸晶圆可容纳 100 万个

作者:付静
2020/08/27 17:40

我们眼前有一个微米尺度的机器人,大小和草履虫差不多,肉眼看不见的那种。

激光驱动的机器人大军!Nature:机器人尺寸小于 0.1 毫米,4 英寸晶圆可容纳 100 万个

显微镜下长这样,可可爱爱没有脑袋的它正在受激光的控制在液体中游动。

激光驱动的机器人大军!Nature:机器人尺寸小于 0.1 毫米,4 英寸晶圆可容纳 100 万个

机器人大军集合。

激光驱动的机器人大军!Nature:机器人尺寸小于 0.1 毫米,4 英寸晶圆可容纳 100 万个

那么,要制造这样小到极致的机器人,还要让它顺利移动,最难的部分是什么?

在这个问题上,科学家们的一个较为一致的答案是:微米级致动器系统(致动器可简单理解为能让机器人动起来的马达)。

这一领域最近迎来了一个好消息:一组来自美国康奈尔大学 Kavli 生物纳米科技研究所、康奈尔大学原子与固体物理实验室、宾夕法尼亚大学电气与系统工程系、康奈尔大学应用与工程物理系的科学家团队开发出了一种新型的致动器,并在此基础上创造了 100 多万个微型四脚机器人,这也是迄今为止首批尺寸小于 0.1 毫米的机器人

2020 年 8 月 26 日,该团队以 Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots(电子集成批量制造微型机器人)为题的研究成果发表于知名学术期刊《自然》。

激光驱动的机器人大军!Nature:机器人尺寸小于 0.1 毫米,4 英寸晶圆可容纳 100 万个

微电子研究的新世界大门

在微电子学领域,摩尔定律的扩展为微型机器人领域带来了巨大机遇——电子、磁和光学系统提供了一个前所未有的复杂性高、尺寸小、成本低的组合,可以较为容易地用于小于人类视觉分辨率极限(100 微米)的机器人。

然而,一个主要障碍是:不存在与半导体处理无缝集成并响应标准电子控制信号的微米级致动器系统。

为克服这一障碍,研究团队开发了一种新型电压可控电化学致动器,它能在低电压(200 微伏)、低功率(10 纳瓦)下操作,可与硅处理完全兼容。

为彰显这种新型致动器的潜力,研究团队通过光刻技术制造了微型机器人。

激光驱动的机器人大军!Nature:机器人尺寸小于 0.1 毫米,4 英寸晶圆可容纳 100 万个

每 4 英寸的晶圆就能生产 100 余万个机器人,而每个机器人的尺寸也是让人惊掉下巴——厚约 5 微米、宽约 40 微米、长为 40-70 微米。

这一成就激发出了驱动器与微电子电路集成的巨大潜力,对于大规模制造硅基功能机器人来说是一个重要的进步。

正因如此,《自然》对这种微型机器人的评价是:

为过去 50 年的微电子研究打开了新世界的大门。

可受激光控制在液体中游动

实际上,这种制造技术与芯片一致的机器人还有一项特殊功能:受激光控制,在液体中游动。

据《自然》报道,要想设计一款在液体环境中可移动的微型机器人并不容易,原因显而易见——微米尺度的物体想要前进,将面临强大的阻力。

好在该团队开发的致动器派上了用场。

原理是,团队使用原子层沉积和光刻技术,用厚度仅为几十个原子的铂条制造了致动器,其一侧被一层惰性钛覆盖。

研究团队将四个致动器设计成机器人的四条腿,在对其施加正电荷时,带负电的离子将从周围溶液中吸附到暴露的表面上中和电荷,因此铂会膨胀产生弯曲,但同时其具有超薄特性,材料急剧弯曲也不会断裂,保证机器人能在浸没于水的凹凸不平表面上动起来。

为控制机器人的 3D 肢体运动,研究团队还在致动器顶部设计了刚性聚合物面板,面板之间有一定的间隙,功能就类似人体的膝盖或脚踝。

而且,向前或向后移动的方向不同,四条腿扭转的程度也不同。

激光驱动的机器人大军!Nature:机器人尺寸小于 0.1 毫米,4 英寸晶圆可容纳 100 万个

不仅如此,机器人的四条腿连接着位于中部底盘(可以理解为机器人的躯干)的几个光伏贴片(太阳能电池)上。

当激光照射在贴片上时,四条腿也将弯曲、伸直。而通过不同贴片上的闪烁激光脉冲,机器人受到控制,前后腿就会交替弯曲,因此开始移动。

一定程度上,这种创新性设计对于其他微电机的推进机制也有参考价值。比如,虽然要考虑到特定的化学环境、能源转化为运动的效率等等,但自电泳微型电动机也可通过连接到机载电路的电流供电。

如何克服制造微型机器人的技术挑战?

雷锋网了解到,面对微型机器人制造的技术挑战,科学家目前有两种策略。

第一种是能反映远程能量供应和认知功能的设计,它被称为「牵线木偶」(marionette)。

这种设计包含电源,计算或决策组件与机器人本身分离。

其优势在于,无需集成机载电源和计算电路就可以测试功能组件;而缺点是必须始终将机器人“束缚”在能量源上。

不难看出,上述微型机器人正是属于这一类设计,原因在于研究人员是通过照在光伏贴片上的激光来提供指令的。

第二种策略是构建完全不受任何束缚的自主设备。微型机器人已经结合了能量存储技术或从环境中清除能量的方法,但考虑到能量存储、计算能力和小规模制造方法的局限性,自主设备在实现微型化的同时又不失“智能”的能力,还有待观察。

虽然微型机器人未来还有很大的发展空间,但这项研究的意义无疑是重大的。未来微型机器人会的不应仅局限于「游泳」,更重要的是通过传感器和逻辑电路的输入遵循更为高级的指令。

引用来源:

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

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2

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


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