江蘇激光聯(lián)盟導讀：
據(jù)悉，《Nature》報道了美國康奈爾大學的最新研究成果，該校研究人員領導開發(fā)出 首個含半導體元件的微型機器人。該機器人的尺寸與草履蟲相仿，可用激光控制其腿部行走。
▲微型機器人示意圖
圖解：來自康奈爾大學和賓夕法尼亞大學的研究人員構建了一個微型機器人，該微型機器人由一個簡單的硅光電電路所組成，從本質上來說，主要是軀干和大腦，以及四個電化學執(zhí)行器用來執(zhí)行腿的功能。當激光照射到硅光路的時候，該微型機器人就會行走
在1959年，前康奈爾大學的瑞查德.費曼（Richard Feynman）曾經(jīng)做了一個非常著名的演講：“在底部具有巨大的空間”，在這一著名的演講中提到了一項縮微技術，可以達到令人驚奇的小微尺寸。而且，這一底部開始變得更加更加擁擠。
目前康奈爾大學絕研發(fā)的這款機器人的厚度約5微米、寬約40微米、長度范圍從40到70微米。肉眼幾乎不可見，只能靠顯微鏡來觀察，可被輕松吸入注射器中，從而可以實現(xiàn)醫(yī)療行業(yè)應用中的微納機器人手術。
▲該款微納機器人，通過激光的輻照來控制機器人的前后腿的交替運動，從而實現(xiàn)在液體中的游動
這款微納機器人，由于其體積小，只有草履蟲大小，而且方面大批量的進行制造，科學家可以實現(xiàn)“撒豆成兵”，能夠一次批量制造出上千個這樣的微型機器人，組成一支不可估量的“大軍”。
那么這項新工作為何如此特別呢？在過去的十多年來，科學家們一直在攻堅克難，在開發(fā)能夠在液體中游動的微納小型機器人的道路上奮斗不已，而且也一度出現(xiàn)過比康奈爾大學所制造的機器人的體積要更小，行走速度更快。那么這次的微納小型機器人有何獨特之處呢？
首先，該微型機器人采用了同制造芯片相類似的制造工藝。一個4英寸（約10厘米）的晶圓就能生產(chǎn)超過100萬個機器人。
▲條帶的超薄特性讓機器人的腿部能夠急劇彎曲而不會斷裂
電子集成微納小型機器人的平行方式的批量制造
由康奈爾大學領導且開展合作的研究創(chuàng)造了這款微納機器人，整合了半導體部件，使得該機器人易于控制，并且使得該機器人的行走，可以在標準的電子信號的控制下進行控制。
這些機器人，在尺寸上只有草履蟲一樣大小，提供了制造出甚至更加復雜版本的機器人的模板，可以利用硅基智能技術，可以批量制造，甚至在將來的某一天應用在人體的組織和血液中。
這一合作研究是在物理學教授意泰.科恩（ Itai Cohen），Paul McEuen，是物理科學專業(yè)的 John A. Newman教授，兩者均在科學與藝術學院工作，以及他們的前博士后研究人員Marc Miskin，現(xiàn)在是賓夕法尼亞大學的助理教授完成的。
微納機器人的制造及其釋放
該研究團隊的這項研究成果以論文題目：“電子集成，批量制造的微型機器人（Electronically Integrated, Mass-Manufactured, Microscopic Robots）”為題發(fā)表在今年出版的期刊《Nature》上。
制造微納型的機器人是一件非常難辦的事情，尤其是當面對設計小尺寸規(guī)模的驅動器的時候，這個是一種電機，用來驅動機器人進行行走。傳統(tǒng)的驅動器在如此小的尺寸下不易工作，并且新的驅動器在使用機械力，諸如磁力進行驅動的時候是非常不容易同傳統(tǒng)的硅基微電子進行整合的。現(xiàn)在，這一研究團隊發(fā)展了一種新型的驅動器，可以在電力的作用下進行驅動和可以層層堆積成電路而進行控制。這就為過去50年來微電子的研究整合在不易被人眼所見的微納小型機器人中開辟了一條道路。
微型傳感器（圖片來源：Alejandro Cortese）
這一行走機器人是最新迭代產(chǎn)品，并且在多個方面實現(xiàn)了進化，Cohen和 McEuen早期的納米尺度的機器人，是從微納傳感器到石墨烯為基礎的自動折紙機機器人。
這一新的機器人其尺寸大約為5微米厚（一微米為一米的百萬分之一），40微米寬和長度范圍為40到70微米。每一個機器人由一個簡單的硅光電電路所組成。其所其的作用為軀干和大腦，還有四個電化學驅動器，其作用為機器人的腿。
如同任何你所見到的小型機器一樣，制造這類機器人的腿可謂一項壯舉。
在這一類機器人的大腦的背景下，這里有一種感覺就是我們所討論的現(xiàn)存在半導體技術和使得該機器人變得小型化和可釋放的，McEuen說到，是下一代納米科學和微系統(tǒng)的共主席，同時兼任康奈爾大學Kavli研究所的負責人。
但這類機器人的腿在以前是不存在的，McEuen說到，這里不存在小型的，電驅動的驅動器可以供我們所使用，因此我們不得不發(fā)明這些驅動器和將其整合在電子中。
新的機器人其尺寸大約為5微米厚，40微米寬和長度范圍為40到70微米。同草履蟲大小差不多
使用原子沉積技術和光刻技術，研究團隊構建了機器人的腿，采用大約十幾個原子厚度的Pt薄帶，在一邊用一薄層惰性的Ti來覆蓋。通過施加Pt的正電極放電，施加充電離子吸收暴漏在被液體所包圍的液體表面來實現(xiàn)中性的放電。這些離子驅動暴露的Pt來進行拓展，使得薄帶進行彎曲。這一超薄的薄帶使得材料發(fā)生急劇的彎曲而并不會發(fā)生斷裂。為了幫助實現(xiàn)機器人腿部的3D 運動，研究人員在薄帶的頂部進行圖案剛性聚合物板。板子之間的間隙行使膝蓋或腳踝的功能，使得機器人的腿在可控的程度下進行彎曲，由此實現(xiàn)了運動。
研究開發(fā)的機器人腿部的光電特性
研究人員通過不同光伏發(fā)電，利用激光脈沖的照射來控制機器人的運動，每一次放電可以實現(xiàn)對單獨一個機器人的腿進行驅動。通過控制激光，不斷的對機器人前后腿的光伏進行照射，機器人實現(xiàn)行走。
目前研制的這類機器人從功能上來說還是比較原始的，他們行走的速度還不夠快，而且他們目前還不能具備大量的計算能力，但這次的革新在于我們使得該款機器人可以同標準的微處理芯片制造技術整合在一起，為我們制造更加智能，快速和批量制造微納機器人開辟了一條道路。
機器人理所當然屬于高技術，但他們運行在低電壓（200毫伏）和低功率（10 納瓦）的條件下，并且相對尺寸來說保持著強且有力的特點。因為他們是采用標準的光刻工藝機型制造的，他們可以實現(xiàn)平行制造：在一個4英寸的硅晶圓上可以制造出100萬個機器人。
研究人員目前正在探究一種可以加大機器人的馬力的辦法，同時實現(xiàn)實現(xiàn)復雜的電子和計算功能，這一技術的改進在將來帶來的直接后果就是導致成批的微納機器人在材料中爬行和重組，或者縫合血管，或者集體派遣來探測人體大腦。
控制小微型機器人，也許可以縮成一團，和你一樣親密，我認為這類機器正在進入各種令人驚奇的世界中，任何非常小的卻最終被我們所觀察，Miskin說到，也是一名該論文的作者。
這一研究的最大進展在于為我們提供了令人激動人心的科學機會，研究同活性物質相關的新問題和最終導致未來機器人材料的出現(xiàn)，Sam Stanton說到，他是海軍研究辦公室的項目管理者，是資助該項研究的管理者。
該項研究白得到了美國空軍科學研究辦公室的額外資助，康奈爾大學材料研究中的資助，國家自然科學基金的資助以及康奈爾大學納米科學Kavli 研究所的資助。這項研究工作是在康奈爾大學的納米科學中心和技術研究室完成的。
