没腿不行：能水下行走的微型机器人
原文作者：Allan M. Brooks & Michael S. Strano
最新研发出的微型装置可以作为激光控制微型机器人的腿。这些装置能与微电子系统兼容，为自主微型机器人的大规模制造指出了一个方向。
1959年，诺贝尔奖得主、纳米技术先驱理查德·费曼（Richard Feynman）提出了“可吞食外科医生”的有趣设想。也就是说，制造一种可以在血管内移动的微型机器人，去有需要的地方做手术。这一标志性的未来畅想凸显出对微米尺度机器人的现代期望：将自主微观装置部署到宏观装置无法企及的环境中去。不过，构建这类机器人需要克服一系列挑战：最显而易见的挑战是微观移动装置的装配问题。在《自然》发表的一篇论文中，Miskin等人[1]报告了一种电化学驱动装置，可以推动激光控制的微机器人在液体中前进，还可以与微电子元器件轻易整合，构建出完全自主的微型机器人。
设计出能让微型机器人在液体环境中移动的推进策略有很多挑战，因为强大的阻力让机器人无法维持其动量[2]。为了克服这一挑战，Miskin等人设计了一种能将能量转化为运动的微型致动器——当微弱电流通过时，致动器会弯曲和伸展（图1）。电流让周围溶液中的离子吸附到致动器表面，改变腿部的压力使其弯曲。值得一提的是，作者采用了制造计算机芯片的纳米加工技术来构建这种致动器。
图1 | 行走的微型机器人。a，Miskin等人[1]的致动器装置可以在超低电流下进行可逆扭曲。添加的虚线为增强可视化效果。比例尺为20微米；b，作者使用致动器作为微型机器人的“腿”，致动器扭曲时腿在前进位置；不扭曲时在后退位置。通过激光束交替激活腿部前进或后退，机器人就能在水下的崎岖表面上行走。当前的腿部位置在图中用实线和圆圈标出，右图中前进位置使用虚线和圆圈标出，以供参考。比例尺为20微米。
Miskin和同事不仅设计并测试了单个的微致动器，还在此基础上开发了一款以四个致动器为腿、能在水下崎岖表面缓慢移动的微型机器人。机器人的腿与中央本体上的光伏片（太阳能电池）相连。当激光照在光伏片上，致动器会弯曲和伸直。操作者用激光照射不同的光伏片，就能弯曲机器人的前腿或后腿，驱动机器人行走。
关于如何替液体中的微粒开发自载推进机制，研究人员已经探索十多年了。通过为这些粒子增添功能片和其他特征，人们已经研发出了比Miskin等人的装置更小更快的机器人[3-4]。那么，他们的这项新工作特别在哪儿呢？其中的一个关键是推进机制效率的提升。另一大进步在于，作者的致动器具有能集成到微电子电路的巨大潜力。这非常重要，因为符合未来应用场景的微型机器人，不仅能按要求游动，还能利用自载的传感器和逻辑电路执行更高级的指令。
Miskin等人研究的另一个有趣之处在于，他们使用了一种全新概念来设计这款微型机器人。与传统上为静态微粒添加推进机制不同，他们将一个原型机器人微型化：一个拥有机械腿的行走机器人，腿部受电子控制。由于他们使用了与电路板相同的技术打造致动器，原则上，未来机器人的"大脑"（逻辑电路）和腿可以同时打印。此外，由于这些致动器能用电路中常用的低功率电流进行操纵，传感器和逻辑元器件就能与致动器无缝集成。
类似的集成可能也适用于其他特定的微电机推进机制，但技术路线还不明朗。例如自电泳微电机[5-7]也是由可以连接到自载电路板的电流驱动的，但这些机制需要特定的化学环境来工作，且能源到运动的转化效率也是Miskin等人装置的100万之一[8]。
在一般层面上，研究人员提出了两种策略来克服制造微型机器人所面临的挑战。一些原型机配备了与机器分离的动力源和计算/决策部分。由于其使用了远程能源和认知计算，我们将这类装置称为木偶型机器人。Miskin等人的装置也属于这一类，因为他们使用外部激光来进行光电转换、提供指令。
这类木偶型机器人便于测试基础功能元件，无需集成动力源和计算电路——这种集成所需的工艺目前尚未完全解决。实际上，木偶型机器人可能本身也是很有用的技术——用磁场操作的微尺度工具已被证明可以进行眼部手术[9]。但木偶型机器人的主要缺点是，它们必须被能源和信息源“束缚”在有限的范围内。
第二种策略是构建无需系绳的全自主装置。研究人员已经能通过结合储能技术，或从环境中获得能源来构造微型机器人；同时利用自载逻辑电路和传感器产生受控信号，无需系绳[10-12]。这种自主性在很多微型机器人的应用中可能大有需要。
目前仍在探索自主装置的微型化可以进行到哪一步，同时又能通过程序让它们执行“智能”功能，综合考虑储能、计算能力，以及微尺度制备工艺的局限性。这些局限性会随技术进步而改善，但机器人在500µm尺寸上能实现的功能，在50um尺度上可能会异常困难，在5µm尺度上可能根本实现不了。木偶型机器人永远比全自主机器人看起来更厉害一点，因为在它们身上得以展示的能力，可能要等到很久以后，才能集成到能源和计算资源有限的自主装置上。
资源的限制使得当前的自主微型机器人需要设计上的权衡：研究人员已经设计出能将储能或从环境中获得的能量转换成机械运动的微粒（例如活性胶体[13]），但可编程性方面还存在着挑战。Miskin等人为解决这一问题提供了一条清晰路径，他们的机器人虽然目前无法自主，但可以作为进一步连接“大脑”和电池的平台。带传感器和集成电路的无系绳亚毫米芯片是一个非常活跃的研究领域[10-12]，面向微型机器人的自主编程能力有望很快得到突破。微尺度致动器与亚毫米电路板和传感器的集成，将会让我们更加接近费曼当初的设想。
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参考文献：
1. Miskin, M. Z. et al. Nature 584, 557–561 (2020).
2. Deen, W. M. Analysis of Transport Phenomena 2nd edn, Ch. 8, 315–360 (Oxford Univ. Press, 2011).
3. Palagi, S. & Fischer, P. Nature Rev. Mater. 3, 113–124 (2018).
4. Chen, X., Zhou, C. & Wang, W. Chem. Asian J. 14, 2388–2405 (2019).
5. Paxton, W. F. et al. J. Am. Chem. Soc. 128, 14881–14888 (2006).
6. Wang, Y. et al. Langmuir 22, 10451–10456 (2006).
7. Wang, J. et al. Adv. Mater. 29, 1701451 (2017).
8. Wang, W., Chiang, T.-Y., Velegol, D. & Mallouk, T. E. J. Am. Chem. Soc.135, 10557–10565 (2013).
9. Wu, Z. et al. Sci. Adv. 4, eaat4388 (2018).
10. Koman, V. B. et al. Nature Nanotechnol.13, 819–827 (2018).
11. Cortese,A.J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 117, 9173–9179 (2020).
12. Lee, S. et al. J. Microelectromech. Syst. https://doi.org/10.1109/jmems.2020.2999496 (2020).
13. Dey, K. K., Wong, F., Altemose, A. & Sen, A. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 21, 4–13 (2016).
原文以A conceptual advance that gives microrobots legs为标题发表在 2020年8月26日的《自然》新闻观点版块
© nature
doi: 10.1038/d41586-020-02421-2
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