理查德·費曼（Richard Feynman），諾貝爾獎獲得者和納米技術(shù)幻想家，在他的最初設(shè)想中，分子機器的重要用途之一就是利用納米機器人手術(shù)和局部給藥。“雖然這是一個非常大膽的想法，但如果你能吞下外科醫(yī)生，那么手術(shù)會變得很有意思，”理查德·費曼描繪道，只要把這個外科醫(yī)生放進人體的血液中，他就能夠抵達心臟，并且查看哪里出了問題，然后他會拿出小刀，把不好的地方，比如腫瘤部位切除。

這種對未來微型機器人的典型想象表明了現(xiàn)代人將自動設(shè)備部署在微觀環(huán)境中的希冀。然而，制作微型機器人存在許多障礙。其中主要的一個障礙是：沒有微米級的驅(qū)動系統(tǒng)能夠與半導(dǎo)體加工無縫集成，并對標(biāo)準電子控制信號做出響應(yīng)。
近日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 發(fā)表了來自康奈爾大學(xué)的一篇題為：Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots 的研究論文。
研究團隊開發(fā)了一種新的電化學(xué)驅(qū)動設(shè)備（SEAs）來克服制作微型機器人的障礙，它可以在低電壓（200微伏）、低功率（10毫瓦）下工作，并且與硅工藝完全兼容。這種設(shè)備能夠推動由激光控制的微型機器人通過液體，并且很容易與微電子組件集成，來構(gòu)建完全自動的微型機器人。
這種微型機器人尺寸小于 0.1mm（約為人頭發(fā)寬度），在未來，這些微型機器人或許可以穿梭在人體組織和血液中，執(zhí)行外科醫(yī)生的操作，縫合血管，探測人類大腦等。

新開發(fā)的電化學(xué)驅(qū)動設(shè)備（SEAs）
研究團隊新開發(fā)的電化學(xué)驅(qū)動設(shè)備（SEAs）由納米級厚度的鉑制成，并使用標(biāo)準半導(dǎo)體技術(shù)制造。他們用原子層沉積法制造出7納米厚的鉑層，在暴露的表面覆蓋一層非活性材料，石墨烯或濺射鈦，然后用光刻技術(shù)將其圖案化。釋放后，裝置中的預(yù)應(yīng)力和鉑層與封蓋層之間的表面應(yīng)力有所差異，使得SEAs彎曲。

電化學(xué)驅(qū)動吸附引起的SEAs彎曲示意圖
這種新開發(fā)的電化學(xué)驅(qū)動設(shè)備克服了微型機器人在液體環(huán)境中的阻力。這種驅(qū)動設(shè)備能將能量轉(zhuǎn)換為運動，當(dāng)施加少量電流時，SEAs會折疊和展開。電流使周圍溶液中的離子吸附到執(zhí)行器的表面，從而改變了支腿中的壓力，從而使其彎曲。并且，使用與制造計算機芯片相同的納米制造技術(shù)就能用來制造這些驅(qū)動設(shè)備。
而且，這些驅(qū)動設(shè)備可多次重復(fù)循環(huán)，而且循環(huán)數(shù)百次都不會退化。

這種機器人由兩個主要部分組成：一個是包含標(biāo)準硅電子元件的身體，另一個是由他們新開發(fā)的驅(qū)動設(shè)備（SEAs）和面板組成的腿，這些驅(qū)動設(shè)備和面板構(gòu)成了腿的三維結(jié)構(gòu)。面板控制著腿的折疊形狀，而驅(qū)動設(shè)備則產(chǎn)生動力。這種情況下的電子器件是由硅光電和金屬互連線構(gòu)成的簡單電路。

微型機器人的光學(xué)圖像
支腿連接到機器人中央面板上的多個光伏板（太陽能電池）。當(dāng)操作員將激光照射在這些光伏板上時，促使驅(qū)動設(shè)備彎曲。操作人員可以通過將激光照射在不同的光伏板上來在彎曲前腿和后腿之間進行交替，從而推動機器人。

制造微型機器人的三個主要步驟：制造電子設(shè)備，制造支架和釋放設(shè)備。主要的制造步驟是在晶圓級完成的，而釋放步驟通常是在切好的芯片上完成的

微型機器人制造方法示意圖
每一個機器人的大小都可以與較大的微生物相媲美：一個機器人幾乎和一個單細胞草履蟲一樣小。

草履蟲和它旁邊的一個機器人
一個4英寸的晶圓表面有大約一百萬個微型機器人。

研究的意義
由于新開發(fā)的電化學(xué)驅(qū)動設(shè)備的制造技術(shù)與制造電路板的技術(shù)相同，因此原則上未來可以同時制造微型機器人的“大腦”（邏輯電路）和支腿。并且由于驅(qū)動設(shè)備可以由通常流經(jīng)電子電路的低功率電流操作，因此傳感器和邏輯組件可以與驅(qū)動設(shè)備無縫集成。這就解決了前面所提到的制作微型機器人的主要障礙之一。這很重要，因為在未來微型機器人不僅要按需游動，而且還要使用來自傳感器和邏輯電路的輸入來遵循更高級的指令。
研究團隊不僅設(shè)計和測試了單個微執(zhí)行器，他們還開發(fā)了原型微機器人——將四個新開發(fā)的驅(qū)動設(shè)備用作支腿，使它們可以在淹沒在顛簸水面上緩慢移動。
研究團隊使用了嶄新的設(shè)計概念來設(shè)計微型機器人——他們沒有向靜態(tài)粒子添加推進機制，而是使原型機器人微型化：一種具有由電子設(shè)備控制的機械腿。不同于其他微型機器人啟動器需要特定的化學(xué)環(huán)境才能發(fā)揮作用的特性，這種設(shè)計將能源轉(zhuǎn)化為運動的效率要高100萬倍。
目前，自動微型機器人在設(shè)計將存儲或清除的能量轉(zhuǎn)換為機械運動的微粒方面取得了巨大進展，但是可編程性仍然是一個挑戰(zhàn)。而這項研究為解決此問題提供了清晰的方向。
微型設(shè)備已經(jīng)被開發(fā)出來，可以充當(dāng)由激光控制的微型機器人的腿。這些器件與微電子系統(tǒng)的兼容性為大規(guī)模制造自動微型機器人指明了一條道路。參考文獻：1. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-92. https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-23. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja405135f4.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359029415001120?via%3Dihub5. https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman 更名通知 BioWorld始終致力于報道生命科學(xué)領(lǐng)域最前沿、最重要、最有趣的研究進展，目前全網(wǎng)已有30萬＋學(xué)者關(guān)注。
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總結(jié)

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