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微型机器人革命:微若尘埃,智比爬虫

文章来源:The New York Times 作者:Kenneth Chang 点击:次 时间:2019/5/14 17:09:14

就像弗兰肯斯坦的故事一样,Marc Miskin的机器造物最初同样一动不动,但却在突然之间获得了自由活动的能力。

不过这些机器人的尺寸非常微小,如同一颗灰尘。一块计算机使用的芯片之上,能够并排放置成千上万这种小型机器人。只要我们一声令下,这些小东西就会行动起来,自由地到处爬行。

宾夕法尼亚大学电气与系统工程学教授Miskin博士表示,“我们可以使用大家最喜爱的硅电子产品,在上面安装上肢体,这样就可以构建起上百万个这样的微型机器人。听起来不可思议?但我们的发展愿景就是如此。”

他认为这些微型单元拥有多种用途,且尺寸与一个细胞相仿。它们能够爬进手机电池当中,清洁接口并恢复其续航能力。它们也可能成为神经科学家眼中的福音,得以钻入人类大脑以测量神经信号。由于体积小巧,这些一个培养皿能够容纳数百万个的微型机器人还可用于测试网络与通信领域的诸多新鲜构思。

微型机器人革命:微若尘埃,智比爬虫

▲ 身处草履虫旁边的微型机器人。研究人员们设想利用这些微型爬虫测量人类大脑中的信号。

这项研究最初于今年3月在波士顿召开的美国物理学会会议上提出,也代表着物理学大师理查德-费曼在1959年演讲内容的最新成果,即《底部仍有足够的空间(There’s Plenty of Room at the Bottom)》。在那次演讲中,费曼先生探讨了如何将信息打包成原子级结构,以及分子级机器的变形技术。

在过去的五十年当中,费曼对于信息存储的预测已经基本实现。Miskin博士表示,“但对于第二个目标,即机器的小型化,我们真的才刚刚开始。”

这些新型机器人所采用的基础技术,与计算机芯片完全相同。康奈尔大学物理学家Paul McEuen解释称,“我们所做的一切,其基本原理都来自上世纪六十年代的硅芯片。制造一块100微米的硅芯片并没什么大不了,真正的突破在于如何在这样的微观尺度上制造机器人手臂的外骨骼,也就是执行器。”

在与McEuen博士与另一位康奈尔大学物理学家Itai Cohen的合作研究期间,Miskin博士开发出一种新型技术,能够将硅与钛材料叠放在硅片之上。当施加电压后,铂金属会收缩而钛继续保持刚性,从而使得原本的平面实现弯折。这种弯折能力即成为驱动机器人肢体的马达,每个机器人的肢体由大约100个原子组成。

事实上,这一基本设计思路并不新鲜。几十年以来,加州大学伯克利分校的Kris Pister等研究人员一直在讨论“智能尘埃”议题,希望利用这种微波的传感器报告环境状况。但在开发实用版本时,为了适应电池的结构,智能尘埃变得不再是尘埃——而更像是智能砂砾。

Miskin博士则通过剔除电池解决了供电难题。相反,他通过向安装在机器人背面的微型太阳能电池板照射激光为机器人提供动力。

在评价Miskin博士、McEuen博士及其合作者们的工作成果时,Pister博士表示“我觉得这真的很酷。他们开发出一台超小型机器人,可以通过激光照射的方式对其进行控制,这也许会带来多种有趣的应用方向。”

由于这些机器人采用传统的硅技术进行制造,因此应该能够很轻松地利用机载传感器测量温度或者电脉冲。

Miskin博士指出,当他们发现这台机器人的运行电压只有几分之一伏特,且功率仅为十亿分之一瓦时,电气工程同事们感到难以置信:“「你的意思是,你可以把我们的成果拿走,然后直接给它装上脚?」「没错,就是这样。」「然后你就可以利用它进行计算试验,并完成其它各种工作?」人们对此真的感到非常兴奋。”

但挑战仍然存在。对于注入大脑的机器人,激光显然无法继续为其提供动力。(Miskin博士说,在这类场景下磁场可能是比较好的供能选项。)他更希望新的机器人能够游泳而非爬行。(对于小型机器,游泳可能更为困难,因为人类的血液比较粘稠,这就像昆虫很难在蜂蜜中自行行动一样。)

然而,Miskin博士仍然非常乐观,并希望能够在未来几年之内拿出可以展示的实用微型产品。

他总结称,“很多人都会感到好奇,询问我们到底需要完成多少项创新。而我之所以特别喜欢这个项目,就是因为其中的工作全都是功能性层面的——没错,并没有什么创新。我们只是找到业已存在的零件,并将它们组合在一起。”


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