跳舞机器人大小如盐粒

设计一群完全自主运行的亚毫米级机器人，即便不算天方夜谭，听起来也是一项成本高昂的任务。然而，宾夕法尼亚大学与密歇根大学的联合研究团队不仅研发出了新一代创纪录的太阳能驱动微型机器人，其单台制造成本更是仅需 1 美分。这类机器人有望推动纳米技术制造、医学研究等多个领域的发展。宾夕法尼亚大学工程师 Marc Miskin 表示，该团队的这项突破性成果，还破解了困扰机器人领域长达数十年的技术难题。

“制造出尺寸小于 1 毫米且能独立运行的机器人，难度超乎想象。” 他在一份大学专题报道中提到，“过去 40 年间，整个领域几乎都卡在了这一难题上。”

完整机器人与 1 美分硬币上的年份字样对比，直观呈现其微小尺寸。

表面积效应成为关键阻碍

Marc Miskin 及其团队近期在《Science Robotics》和《Proceedings of the National Academy of Sciences》中详细阐释，制造该尺寸全自主机器人的核心难题源于物理规律的限制。包括人类在内的大型物体，其运动状态主要由惯性和重力主导；而物体尺寸越小，就越容易受到粘性、阻力等与表面积相关因素的影响。

“当物体小到一定程度，在水中行进的阻力就好比在沥青里奋力推进。”Marc Miskin 解释道。

这意味着，像机械臂、机械腿这类适用于宏观世界、依靠惯性和重力实现运动的设计，在微观尺度下会因结构过于脆弱而完全失效。要解决这一问题，研究人员必须从全新角度重新设计运动方式 —— 一种基于电学原理的驱动方案。

这款机器人的尺寸约为 200×300×50 微米，比一粒盐还要小。即便如此，当置于溶液环境中时，它仍能通过搭载的微型太阳能电池板将光能转化为电场。电场会推动周围的离子，进而带动水分子流动，以此为机器人提供前进动力。这些机器人不仅能实现前后移动，通过调节电场强度，每台机器人既可以独立行动，也能像鱼群一样协同完成复杂的编队运动。

“这就好比机器人身处一条流动的河中，同时它自身也在推动河水流动。”Marc Miskin 这样形容。

该机器人完全没有活动部件，所有动作均由电子信号驱动。这一设计使其比那些结构复杂的大型机器人具备更高的耐用性。在 LED 光源的持续供电下，这些机器人能够在溶液中连续游动数月之久。但即便兼具低成本与创新性，若无法执行实际任务，这款机器人也毫无价值。要实现任务执行，就必须进行编程。而尺寸限制再次成为研究团队需要攻克的难关。

75 纳瓦的超低功耗挑战

计算机小型化的核心难点在于空间限制。计算机尺寸越小，可用于容纳电源、存储器和电路的空间就越少。显然，这对机器人设计者而言是一大难题。

“电子系统面临的核心挑战在于，机器人搭载的太阳能电池板尺寸极小，输出功率仅为 75 纳瓦。” 密歇根大学工程师 David Blaauw 补充道，“这一功率还不到智能手表功耗的十万分之一。”

为解决这一问题，研究团队不得不研发全新的电路设计方案。新电路可在低电压下运行，将机器人的功耗降低至最初设计需求的千分之一以下。由于太阳能电池板占据了机器人的绝大部分空间，Marc Miskin 与 David Blaauw 需要进一步探索如何在剩余空间内集成处理器与存储器。

“我们必须彻底重构计算机程序指令，将传统方案中需要多条指令才能实现的运动控制功能，压缩成一条专用的编程指令。”David Blaauw 说。

微型机器人以一张薄片形式制作（左上角），面积大致相当于指尖（左下角）。每个机器人都包含用于收集能量的太阳能电池，其中一些还兼作光学接收器，微型机器人两侧各有一个用于检测差异的温度传感器，一个用于接收信息和决策的处理器，以及四个驱动其运动的执行器面板。四个接收器允许机器人识别是否有接收程序的发址。

机器人摇晃舞

目前的微型机器人原型搭载了高精度传感器，温度检测精度可达 0.33 摄氏度。理论上，机器人集群能够在溶液中朝着温度更高的区域移动 —— 这类区域往往是细胞活动活跃的标志，进而完成单个细胞健康状况的检测任务。但别忘了尺寸限制这一关键问题：要将探测结果反馈给研究人员，其通信方式必须简洁到能在沙粒大小的载体上实现。幸运的是，大自然的进化机制为研究团队提供了灵感。

“这种通信方式与蜜蜂的交流模式极为相似。”David Blaauw 表示，“为了反馈温度检测数据，我们设计了一条专用计算机指令，让机器人通过特定的‘摇摆舞’动作，对测得的温度等数据进行编码。随后，研究人员借助显微镜与摄像头观察这些动作，就能从机器人的‘舞姿’中解读出它们所传递的信息。”

尽管这款微型机器人已展现出惊人性能，但 Marc Miskin 与 David Blaauw 认为，这仅仅是全新领域的开端。未来通过持续改进与实验，有望研发出速度更快、功能更复杂的机器人，还可加装更多传感器，使其能够适应更为复杂的作业环境。

“我们已经证明，能够在一个小到几乎看不见的载体上集成‘大脑’、传感器和‘发动机’，并使其稳定运行数月之久。”Marc Miskin 说，“一旦奠定这一基础，我们就能为其逐步添加各类智能功能与应用模块。”