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尺寸小于0.1mm,4英寸硅片容纳100万个,康奈尔大学四脚机器人登Nature

这款机器人通过使用一种新的微型致动器,实现了在液体中的自由行走。

1959 年,诺贝尔奖获得者、纳米技术界卓有远见的研究者理查德 · 费曼提出:「吞下外科医生」将是一件有趣的事情,即制造一个微型机器人,该机器人可以在需要的时候在血管中穿梭以进行一些手术治疗。这种对未来的标志性想象突出表现了对微米级机器人技术领域的现代期望:将自动化设备部署在其大型同类产品无法到达的环境中。

但是,这种机器人的构造存在着诸多挑战,包括如何组装微型机器装置方面的困难。

近日,在最新一期的《Nature》杂志中,宾夕法尼亚大学电子与系统工程系助理教授 Marc Miskin 等人研究出一种电化学驱动设备,该设备能够推动激光控制的微型机器人通过液体,并且可以很容易地与微电子组件集成,以构建完全自主的微型机器人。该研究团队由康奈尔大学的两位教授 Itai Cohen 和 Paul McEuen 以及 Marc Miskin 共同领导。

论文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9

这款微型机器人包含一个硅光伏材料制成的简单电路,该电路充当躯干和大脑的角色,而四个电化学致动器构成了机器人的腿。该微型机器人的厚度大约为 5 微米、宽约 40 微米、长度在 40 至 70 微米之间,体积大致相当于草履虫等微生物。

这款机器人可以在 200MV 的低电压和 10nW 的低功率条件下移动,虽然体积很小,但依然保持牢固和鲁棒性。此外,这款机器人是由标准光刻工艺制成,所以它们可以实现大规模并行生产,4 英寸的硅片上可以容纳约 100 万个机器人。

首先来看一下这款机器人的动图展示:

行走中的机器人。

列阵中的机器人。

微型致动器

在设计中,研究者考虑到,为液体环境中移动的微型机器人设计推进策略具有挑战性,这是因为强大的阻力会阻止微型物体保持动量。所以,为了克服这一困难,Miskin 及其同事设计了微型致动器,它能够将能量转换为运动动力。只需施加少量电流,该致动器就可以折叠和展开。

此外,电流会导致周围溶液中的离子吸附到致动器表面,从而改变了机器人腿部的应力,进而使其弯曲。研究者使用与制造计算机芯片相同的纳米制造技术来构造这些致动器。

下图给出了行走微型机器人大致的形态:

Miskin 及其同事不仅设计和测试了单个微型致动器,还开发了原型微型机器人。该原型采用 4 个上述致动器作为机器人的腿。,让它们能够在液体中缓慢移动。四条腿连接到机器人中央机架上的多个光伏板(太阳能电池)。当操作者将激光照射在不同的太阳能片上,机器人就会交替弯曲前腿和后腿,以推进机器人移动。

十几年来,研究人员一直在为液体中的微粒开发机载推进机制(propulsion mechanism)。通过向这类粒子添加功能补丁和其他特性,比这款微型四脚机器人体积更小且速度更快的机器人早已被开发出来。所以,这款机器人的特殊性体现在哪里呢?

这款机器人的关键改进在于推进机制的效率。另外一点改进是这款微型机器人使用的致动器具备与微电子电路集成的巨大潜力。这一点很重要,因为未来的应用不仅要求微型机器人在需要的时候进行游泳的动作,而且还要借助机载传感器和逻辑电路的输入来执行更高级的指令。

此外,这款微型机器人采用了一种新颖的设计理念。研究者没有为静态粒子添加推进机制(propulsion mechanism),而是将原型机器人微型化,最终设计出一款具有电子控制机械腿的行走机器人。由于致动器的构造采用与制作电路板相同的技术,所以未来机器人的「大脑」(即逻辑电路)和腿原则上可以实现同时制作出来。

并且,由于致动器可以通过电子电路中的低功率电流来操作,因此传感器和逻辑组件可以实现与致动器的无缝集成。

接下来通过几张图了解这款微型四脚机器人的技术细节。

技术细节

下图 1 为电子集成式微型机器人的并行制作流程。

下图 2 为基于铂的串联式弹性致动器(Series Elastic Actuator, SEA)的结构。

下图 3 为微型机器人的制作和释放演示。

下图 4 为微型机器人的初始配置以及运动过程中距离和速度的图像。

想要直观地了解这款微型四脚机器人的运动,请戳以下视频:


参考链接:
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9
https://news.cornell.edu/stories/2020/08/laser-jolts-microscopic-electronic-robots-motion

工程微型机器人Nature机器人技术
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