盖世汽车讯 据外媒报道，宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）和密歇根大学（University of Michigan）的研究人员创造出了世界上最小的全可编程自主机器人：这些微型游泳机器人能够独立感知周围环境并做出反应，可以连续运行数月，而且每个成本仅需一美分。

图片来源： 宾夕法尼亚大学

这些机器人肉眼几乎不可见，每个机器人的尺寸约为200×300×50微米，比一粒盐还要小。它们在许多生物微生物的尺度上运行，可以通过监测单个细胞的健康状况来推动医学发展，也可以通过帮助构建微型设备来促进制造业的发展。

这些机器人由光驱动，内部搭载微型计算机，可以被编程以复杂的模式移动，感知局部温度并相应地调整路径。

发表在期刊《Science Robotics》和《Proceedings of the National Academy of Sciences》上的研究表明，这些机器人无需连接线、磁场或外部操纵杆控制即可运行，是目前已知规模下首批真正意义上的自主可编程机器人。

“我们把自主机器人的尺寸缩小了1万倍，”宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程系助理教授、论文资深作者Marc Miskin表示，“这为可编程机器人开辟了一个全新的尺度。”

突破亚毫米级障碍

几十年来，电子产品变得越来越小，但机器人却难以跟上步伐。“制造尺寸小于一毫米且能独立运行的机器人极其困难，”Miskin说道，“这个问题在过去40年里一直困扰着我们。”

支配人类世界的力，例如重力和惯性，都与体积有关。然而，如果缩小到细胞大小，那么与表面积相关的力，例如阻力和粘性，就会占据主导地位。“如果你足够小，推动水就像推动焦油一样，”Miskin说道。

换句话说，在微观尺度上，那些适用于较大机器人（例如肢体）的运动策略很少奏效。“非常小的腿和手臂很容易损坏，”Miskin表示，“而且它们也很难制造。”

因此，研究团队不得不设计一种全新的推进系统，一种能够顺应而非对抗微观领域独特运动物理规律的系统。

让机器人游动

大型水生生物，例如鱼类，通过推动身后的水来游动。根据牛顿第三定律，水会对鱼施加大小相等、方向相反的力，推动它前进。

相比之下，新型机器人完全不需要弯曲身体。它们产生的电场会推动周围溶液中的离子。这些离子反过来又会推动附近的水分子，使机器人周围的水流动起来。

“这就像机器人身处一条流动的河流中，”Miskin表示，“但机器人同时也在推动河流流动。”

这些机器人可以调节产生效应的电场，从而使它们能够以复杂的模式移动，甚至像鱼群一样协同行动，速度可达每秒一个体长。

由于产生电场的电极没有活动部件，这些机器人极其耐用。“你可以用微量移液器反复将这些机器人从一个样本转移到另一个样本，而不会损坏它们，”Miskin说道。在LED灯的照射下，这些机器人可以连续游动数月之久。

赋予机器人大脑

要真正实现自主运行，机器人需要一台计算机来做决策，需要电子设备来感知周围环境并控制推进，还需要微型太阳能电池板来为所有部件供电，而所有这些都必须集成在一个尺寸仅为几分之一毫米的芯片上。密歇根大学David Blaauw的团队正是在这里开展了研究。

Blaauw的实验室保持着世界上最小计算机的纪录。五年前，Miskin和Blaauw在美国国防高级研究计划局（DARPA）举办的一次演讲中首次相遇，两人立刻意识到他们的技术完美契合。

“我们发现宾夕法尼亚大学工程学院的推进系统和我们微型的电子计算机简直是天作之合，”Blaauw说道。尽管如此，双方还是花了五年时间才最终打造出第一个可运行的机器人。

“电子系统面临的主要挑战，”Blaauw解释说，“在于太阳能电池板体积很小，只能产生75纳瓦的功率。这比智能手表的耗电量还要低10万倍以上。”

为了让机器人的计算机在如此低的功耗下运行，密歇根大学的研究团队开发了特殊的电路，这些电路可以在极低的电压下工作，从而将计算机的功耗降低了1000倍以上。

然而，太阳能电池板占据了机器人的大部分空间。因此，第二个挑战是如何将处理器和内存塞进剩余的少量空间，以便存储程序。

“我们不得不彻底重新设计计算机程序指令，”Blaauw说道，“将通常需要多条指令才能实现的推进控制功能，压缩成一条特殊的指令，从而缩短程序长度，使其能够适应机器人有限的内存空间。”

能够感知、记忆和反应的机器人

这些创新使得首个真正能够思考的亚毫米级机器人成为可能。据研究人员所知，此前从未有人将真正的计算机——处理器、内存和传感器——集成到如此小的机器人中。这一突破使这些设备成为首批能够感知并自主行动的微型机器人。

这些机器人配备了电子传感器，能够以摄氏度三分之一的精度检测温度。这使得机器人能够向温度升高的区域移动，或报告温度（作为细胞活动的指标），从而监测单个细胞的健康状况。

“为了报告温度测量结果，我们设计了一种特殊的计算机指令，将诸如测量温度之类的数值编码到机器人跳的一种小舞蹈的摆动中，”Blaauw说道。“然后，我们通过带有摄像头的显微镜观察这种舞蹈，并从摆动中解码出机器人想要告诉我们的信息。这与蜜蜂彼此交流的方式非常相似。”

这些机器人由光脉冲编程，光脉冲也为它们供电。每个机器人都有一个唯一的地址，这使得研究人员可以为每个机器人加载不同的程序。“这开辟了许多可能性，”Blaauw补充道，“每个机器人都可以在更大的联合任务中扮演不同的角色。”

这仅仅是个开始

未来版本的机器人可以存储更复杂的程序，移动速度更快，集成新型传感器，或在更具挑战性的环境中运行。本质上，目前的设计是一个通用平台：其推进系统与电子元件无缝协作，其电路可以低成本地大规模制造，并且其设计允许添加新的功能。

“这真的只是第一章，”Miskin说道。“我们已经证明，你可以将大脑、传感器和电机集成到一个几乎肉眼无法看到的微小装置中，并使其存活并运行数月之久。一旦有了这个基础，你就可以叠加各种智能和功能。它为微型机器人技术开启了一个全新的未来。”