孩子们都喜欢机器人,大人也喜欢。电影里我们看得太多,但少有人知道,当前机器人到底发展到哪一步了?波士顿的机器狗,固然非常吸引人,像人一样会旋转跳跃翻跟斗的机器人,也足够惊爆眼球。不过,正如宏观世界之下还有微观世界,微型机器人也是一个不容小觑的阵地。
翻跟斗+旋转跳的机器人,动作很流畅。|波士顿机器人
想象一下,有一天你买了一个手机,里面有一个app,可以控制你体内成千上万个微型机器人,对你的健康状态进行监测,甚至跟着音乐在你的血管里跳一支机器人舞。那感觉一定amazing!
其实,这个场景看起来不远了。——至少,把这些机器人造出来,并注入你的体内,现在就可以办到(当然,后果暂时就没人顾得上了)。而且这些机器人,价格真的不要太便宜,因为它们是可以批量生产的,一下子就能“印”出好几百万个,每个只要几毛钱,跑起来还很灵活!
微型行走机器人,尺寸不到0.1毫米(约为人的头发宽度)。研究人员甚至想有一天把它们放进人的大脑,来倾听神经元。是不是有点炸裂呢!|康奈尔大学
研究人员将详情发表在8月的《自然》杂志上。
新型致动器催生的迷你机器人
我们之前可能听说过很多微型机器人,比如DNA折纸机器人(一种用单链DNA组装成的给药机器人,依靠人体内的循环系统而移动)、多腿的软体机器人(一种用软性硅薄片制作,下面装着上百条毛腿的机器人,可在外部电磁设备协助下,在人体内高效移动),甚至可愈合的活细胞机器人(一种使用皮肤细胞和心肌细胞组合而成的机器人,可通过心肌细胞的收缩产生不对称作用力,完成特定运动),等等。
六边形DNA纳米管机器人,可以打开释放药物(左)和长腿的软体微型机器人,正在运送胶囊(右、插图)|来自相关论文
但它们看起来都价格不菲,或者有这样那样的不足之处,比如,不够灵活,无法通讯,功能单一,离实际较远,会产生免疫反应,体型偏大……等等。
而这一次,康奈尔大学的科学家们,使用一种非常简单的方法,做出了一种可与外部通讯,功能可以非常多样的微型机器人。并且它的尺寸可达到0.1毫米以下,而且一做就是几百万个,协同起来,应用前景非常可观。
这种机器人的应用核心,在于它有一个相对成熟的“头部”;其关键突破,则是它有一个新型的“腿部”。从这个迷人的小东西身上,我们可以看到,科学家们是怎样在现有技术之上,通过一个“小小”的创新,来完成令人惊奇的科技突破的。(实际上,其“头部”亦来自同一团队成员之前的创新,该团队可谓“一步一个脚印”。)
微型机器人结构图,有头,有腿。|MarcMiskin, et al
首先要说它的头部。当然,这部分是现成的。机器人头部的制作工艺,就来自现有的半导体制造技术。
随着摩尔定律五十多年发展,半导体行业正在使用越来越先进的生产工艺,制造出越来越小的器件。现在,这些工艺可以把上百万个晶体管,放入差不多一个单细胞草履虫那么大的空间里。不仅如此,他们还能制作出微型传感器、LED屏,还有一堆小到看不见的封装。
(摩尔定律是指:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18~24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。由戈登·摩尔在1965年提出,目前快要到达瓶颈。)
这是迷你机器人的基础,也是当前所有智能机器的基础。
我们可以想象,没有腿的机器人是什么样的。不错,就是你手中的智能手机那个样子。这才15年不到,它就掌控了整个世界,不仅相当智能,通信功能一流,而且一只手就可以掌握。里面的元件多到数不胜数,要放到显微镜下才能将芯片上的电路看清。
康奈尔大学的这款迷你机器人的头,也跟它差不多,就像一个细胞级的智能手机,配备了专门的应用程序,尺寸也比正常手机足小了上万倍。它被称为光学无线集成电路(OWIC)。其上有小型的太阳能电池,如果把光照射在上面,就会激活一小块电路,驱动迷你LED屏幕,实现与外界交流。就像萤火虫一样。
微型机器人的头部,一个光学无线集成电路,可被光照激活。|MarcMiskin, et al
很酷的一点是,我们有不同的OWIC,搭配不同的传感器(将不同信号转换成电信号),有的可以测电压,有的可以测温度,或者有的只是一个闪烁的光点,告诉你它就在那里。这些OWIC作为微型安全智能标签,识别度比指纹还好。所以也被应用于其他医疗器械,用于获取更多信息,甚至可以被放进大脑,来倾听神经元,并通过LED闪烁将信号传出去。
不过,这只是一个“头”,没有腿,不能移动。要成为一个真正有行动力的机器人,还得有腿才行。
所以,科学家们在此基础上,给它开发出了一组会动的腿,或者我们可以称它——致动器。在显微镜下观察,可以看到它会在电压下蜷缩。
这些腿是如此细小,和迷你头部正好相配,以至于红细胞放在旁边,就像筷子边放了一个面包圈一样。肉眼当然是别想看到了。
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