全球最小全自主微型机器人诞生，能独立感知并响应环境，成本仅1美分！

来源：密歇根大学

近日，美国宾夕法尼亚大学与密歇根大学的联合科研团队在Science Robotics等顶级期刊发表重大成果，成功研制出世界上最小的全自主可编程微型机器人。这款机器人尺寸仅为200×300×50微米，比一粒盐还要小巧，却集成了传感器、计算机、推进系统等核心组件，每颗成本仅需1美分，在LED光照射下可连续运行数月，无需外部磁控或线缆牵引，能自主感知环境并作出决策。

“我们将自主机器人的尺寸缩小了1万倍，为可编程机器人开辟了全新尺度。”宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程系助理教授、论文资深作者MarcMiskin介绍。这一突破背后，是科研团队对困扰领域40年难题的攻克——如何让毫米级以下的机器人实现独立运行。

关键挑战来自物理法则的转变。在人类熟悉的宏观世界，重力和惯性主导着物体运动；但当尺度缩小到细胞级别，流体阻力、粘滞力等与表面积相关的力成为主导。就像人类若进入微观世界，推开一滴水会如同推开黏稠的沥青，传统机器人的机械驱动方式在此完全失效，微小的机械臂不仅极易折断，制造难度也极大。

为应对这一困境，团队设计了一套全新的推进系统。机器人无需摆动身体，而是通过产生电场推动周围溶液中的离子，进而带动水分子流动，依靠这种“自我制造的水流”实现移动。“这就好比机器人身处一条流动的河流中，但这流动的河水却是由机器人自己制造的。”Miskin解释道。通过调节电场，机器人可实现复杂运动模式，甚至能像鱼群一样协同编队，移动速度达到每秒一个身长。更重要的是，这种无活动部件的设计让机器人异常耐用，即便用微量移液管反复转移也不会受损。

真正的自主运行，离不开“大脑”的支撑。密歇根大学DavidBlaauw团队此前保持着“世界最小计算机”的纪录，其技术与宾夕法尼亚大学的推进系统形成完美互补。然而，将计算机、传感器、微型太阳能电池板等组件集成到不足毫米大小的芯片上，仍面临巨大挑战。机器人的太阳能电池板仅能产生75纳瓦的功率，比智能手表功耗低10万倍以上。为此，密歇根团队开发了极低电压的专用电路，将计算机功耗降低1000倍以上；同时重构计算机指令，把传统多条指令才能完成的推进控制压缩为单条指令，从而在有限空间内装入处理器和内存。

图 | 微型机器人电路概览（来源：Science Robotics）

如今，这款微型机器人已实现感知、决策与行动的完整闭环。它能感知1/3摄氏度内的温度变化，通过编码特定动作模式传递信息，成为首批能够独立感知并采取行动的亚毫米级机器人。其应用潜力极为广阔：凭借与生物细胞相当的尺寸，可潜入人体内部实时监测单个细胞健康状况，或开展靶向给药；通过编程，成群的机器人还能在微观尺度上协同组装复杂的微机电系统。

作为通用技术平台，未来这款机器人还将实现更复杂的程序存储、更快的移动速度，集成新型传感器并适应更严苛的作业环境。科研人员表示，这一成果不仅破解了微型机器人自主运行的长期难题，更开辟了微观机器人技术的新方向，有望在细胞健康监测、微纳操作等领域带来革命性突破。