能思考、会游泳、可工作数月，比一粒盐还小的机器人问世
发布时间：2026-01-08
信息来源：中国科学报
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一个小到可以放在指纹脊线上的微型机器人。图片来源：密歇根大学
本报讯 科学家研制出迄今最小的可编程自主机器人。这些微型机器人的成本约1美分，可以在液体中游动，感知周围环境并自主响应，且能够连续工作数月。相关研究成果近日发表于《科学-机器人》和美国《国家科学院院刊》。
在没有放大镜的情况下，几乎看不见这些机器人。其尺寸大约为200微米×300微米×50微米，比一粒盐还小。由于它们与许多活体微生物在相同规模上运作，未来或许能帮助医生监测单个细胞，或协助工程师组装用于先进制造的微型设备。
与其他微型机器人不同，这种机器人不依赖电线、磁场或外部控制，而完全由光驱动。内部的微型计算机使它能够遵循预设路径，探测局部温度变化，并相应调整自身运动。这使其成为第一个在如此小的规模上实现真正自主和可编程的机器人。
“我们制造出了大小仅为先前1/10000的自主机器人。”论文作者、美国宾夕法尼亚大学的Marc Miskin说，“这为可编程机器人开启了一个全新尺度。”
过去几十年里，电子器件的尺寸持续缩小，但机器人技术并未遵循相同的发展轨迹。根据Miskin的说法，制造出1毫米以下独立操作的机器人是非常困难的。
在日常尺度上，运动由重力和惯性等决定，这些力取决于物体的体积。然而，在微观尺度下，与表面相关的力占据了主导地位。阻力和黏性变得具有压倒性，极大改变了运动方式。“如果你足够小，推水就像推沥青一样费力。”Miskin解释道。由于物理学上的这种转变，用传统方法设计机器人注定会失败——微小的手臂或腿很容易断裂，并且极难制造。
为突破这些局限，研究人员开发了一种全新的机器人移动方式。这种机器人不会弯曲或伸缩，而是产生了一个电场，轻轻推动周围液体中的带电粒子。随着这些离子的移动，它们会拖曳附近的水分子，从而在机器人周围的流体中产生运动。“机器人好像置身于一条流动的河流中。”Miskin说，“但机器人本身也在驱使这条河流流动。”
通过调节电场，机器人可以改变方向，沿着复杂的路径移动，甚至可以像鱼群一样协调其运动，速度可达每秒一个身长。
由于使用的是没有活动部件的电极，因此这种机器人异常坚固耐用。Miskin介绍，它可以用微量移液器在不同样品间反复转移而不会受损。在LED灯的驱动下，这种机器人能够持续游动数月。
机器人实现真正的自主需要的不仅是移动，还必须能够感知环境、作出决策并为自己供能。所有这些组件都必须集成在一块只有几分之一毫米大小的芯片上。美国密歇根大学的David Blaauw团队接受了这项挑战。
Blaauw表示，电源是最大障碍之一。“对电子器件来说，关键挑战在于太阳能电池板非常小，只能产生75纳瓦的电力。这是智能手表功耗的10万分之一。”他说，为使系统工作，团队设计了专门在极低电压下运行的电路，将功耗降低至原来的1/1000以下。
空间则是另一个主要限制。太阳能电池板占据了机器人表面的大部分面积，几乎没有给计算机硬件留出空间。为解决这个问题，研究人员重新设计了机器人软件的运行方式。Blaauw解释说：“我们将传统上需要许多指令才能实现的推进控制程序合成一条特殊指令，从而缩短程序长度以适应机器人微小的存储空间。”
目前的机器人只是一个起点，未来版本可能搭载更先进的程序、移动速度更快、包含更多传感器，或能在更恶劣的环境中工作。研究人员将该系统设计为一个灵活的平台，结合了稳定的推进方法和制造成本低廉并随时间调整的电子器件。（李木子）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu8009
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