孩子們都喜歡機器人，大人也喜歡。電影裡我們看得太多，但少有人知道，當前機器人到底發展到哪一步了？波士頓的機器狗，固然非常吸引人，像人一樣會旋轉跳躍翻跟鬥的機器人，也足夠驚爆眼球。不過，正如宏觀世界之下還有微觀世界，微型機器人也是一個不容小觑的陣地。

　　想象一下，有一天你買了一個手機，裡面有一個app，可以控制你體内成千上萬個微型機器人，對你的健康狀态進行監測，甚至跟着音樂在你的血管裡跳一支機器人舞。那感覺一定amazing！

　　其實，這個場景看起來不遠了。——至少，把這些機器人造出來，并注入你的體内，現在就可以辦到（當然，後果暫時就沒人顧得上了）。而且這些機器人，價格真的不要太便宜，因為它們是可以批量生産的，一下子就能“印”出好幾百萬個，每個隻要幾毛錢，跑起來還很靈活！

　　微型行走機器人，尺寸不到0.1毫米（約為人的頭發寬度）。研究人員甚至想有一天把它們放進人的大腦，來傾聽神經元。是不是有點炸裂呢！|康奈爾大學

　　研究人員将詳情發表在8月的《自然》雜志上。

　　新型緻動器催生的迷你機器人

　　我們之前可能聽說過很多微型機器人，比如DNA折紙機器人（一種用單鍊DNA組裝成的給藥機器人，依靠人體内的循環系統而移動）、多腿的軟體機器人（一種用軟性矽薄片制作，下面裝着上百條毛腿的機器人，可在外部電磁設備協助下，在人體内高效移動），甚至可愈合的活細胞機器人（一種使用皮膚細胞和心肌細胞組合而成的機器人，可通過心肌細胞的收縮産生不對稱作用力，完成特定運動），等等。

　　六邊形DNA納米管機器人，可以打開釋放藥物（左）和長腿的軟體微型機器人，正在運送膠囊（右、插圖）|來自相關論文

　　但它們看起來都價格不菲，或者有這樣那樣的不足之處，比如，不夠靈活，無法通訊，功能單一，離實際較遠，會産生免疫反應，體型偏大……等等。

　　而這一次，康奈爾大學的科學家們，使用一種非常簡單的方法，做出了一種可與外部通訊，功能可以非常多樣的微型機器人。并且它的尺寸可達到0.1毫米以下，而且一做就是幾百萬個，協同起來，應用前景非常可觀。

　　這種機器人的應用核心，在于它有一個相對成熟的“頭部”；其關鍵突破，則是它有一個新型的“腿部”。從這個迷人的小東西身上，我們可以看到，科學家們是怎樣在現有技術之上，通過一個“小小”的創新，來完成令人驚奇的科技突破的。（實際上，其“頭部”亦來自同一團隊成員之前的創新，該團隊可謂“一步一個腳印”。）

微型機器人結構圖，有頭，有腿。|MarcMiskin, et al

　　首先要說它的頭部。當然，這部分是現成的。

　　正如畢加索有句話說，優秀的藝術家抄襲，偉大的藝術家偷竊（good artists copy，great artists steal.——Picasso），機器人頭部的制作工藝，就來自現有的半導體制造技術。

　　随着摩爾定律五十多年發展，半導體行業正在使用越來越先進的生産工藝，制造出越來越小的器件。現在，這些工藝可以把上百萬個晶體管，放入差不多一個單細胞草履蟲那麼大的空間裡。不僅如此，他們還能制作出微型傳感器、LED屏，還有一堆小到看不見的封裝。

　　（摩爾定律是指：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18~24個月便會增加一倍，性能也将提升一倍。由戈登·摩爾在1965年提出，目前快要到達瓶頸。）

　　這是迷你機器人的基礎，也是當前所有智能機器的基礎。

　　我們可以想象，沒有腿的機器人是什麼樣的。不錯，就是你手中的智能手機那個樣子。這才15年不到，它就掌控了整個世界，不僅相當智能，通信功能一流，而且一隻手就可以掌握。裡面的元件多到數不勝數，要放到顯微鏡下才能将芯片上的電路看清。

　　康奈爾大學的這款迷你機器人的頭，也跟它差不多，就像一個細胞級的智能手機，配備了專門的應用程序，尺寸也比正常手機足小了上萬倍。它被稱為光學無線集成電路（OWIC）。其上有小型的太陽能電池，如果把光照射在上面，就會激活一小塊電路，驅動迷你LED屏幕，實現與外界交流。就像螢火蟲一樣。

微型機器人的頭部，一個光學無線集成電路，可被光照激活。|MarcMiskin, et al

　　很酷的一點是，我們有不同的OWIC，搭配不同的傳感器（将不同信号轉換成電信号），有的可以測電壓，有的可以測溫度，或者有的隻是一個閃爍的光點，告訴你它就在那裡。這些OWIC作為微型安全智能标簽，識别度比指紋還好。所以也被應用于其他醫療器械，用于獲取更多信息，甚至可以被放進大腦，來傾聽神經元，并通過LED閃爍将信号傳出去。

　　不過，這隻是一個“頭”，沒有腿，不能移動。要成為一個真正有行動力的機器人，還得有腿才行。

　　所以，科學家們在此基礎上，給它開發出了一組會動的腿，或者我們可以稱它——緻動器。在顯微鏡下觀察，可以看到它會在電壓下蜷縮。

　　這些腿是如此細小，和迷你頭部正好相配，以至于紅細胞放在旁邊，就像筷子邊放了一個面包圈一樣。肉眼當然是别想看到了。

科學家給OWIC配的腿，本來是直的，但是加電壓後會蜷縮。|MarcMiskin, et al

原始的條帶狀的腿，伸縮動圖。|MarcMiskin, et al

　　它是怎麼動的呢？原來，動力來自于腿上沉積的鉑層——大概十幾個原子層厚。如果把鉑放進水中，并施加電壓，水中的原子就會吸附或脫離鉑的表面——這取決于電壓高低——從而産生力。借助吸附或驅趕鉑表面的原子層，就可實現對腿的動作的控制，因為腿隻有一面是鉑層，另一面是钛或其他材料。

　　由于這些條帶狀的腿非常薄，所以可以反複彎曲伸直而不會斷裂。研究人員還在此基礎上用堅硬的闆子（剛性聚合物）制作出了圖案，其間隙就像是人的膝蓋和腳踝，使得腿的彎曲能夠預期，可做出想要的動作。

微型機器人模拟圖，注意看它的腿，條帶上有小硬片。|MarcMiskin, et al

　　這樣，一個既有頭、又有腳的迷你小機器人就出現了。它既有思想、又有驅動力。OWIC就是它的大腦，為我們提供傳感器和電源（将光轉化為電壓），還能通過光來和我們互動。鉑層就是肌肉，可以讓機器人四處走動。隻要把激光投射在OWIC的不同太陽能闆上，産生電壓，就能選擇要驅動哪條腿移動，從而讓它行走起來。

　　使用光刻技術實現批量生産

　　但這項研究更妙的不是機器人有多麼小巧靈活，而是，它可以批量生産，一下就是幾百萬個。

　　你會以為，這些頭和腳要分開制造，再拼接起來。實際上并非如此。它是使用光刻技術，就像制造傳統芯片一樣，類似逐層打印，先在晶片上一起“印”制好，再用化學藥品從底部基質上“摳”下來的。頭和腿可以同時打印，一“印”就是幾百萬個，一“摳”就是一個機器人軍團。它們在離開基質後，自由翻折成成品的形狀。

　　見識一下被化學藥品泡下來的機器人，研究人員正用移液器将其轉移到别處。|MarcMiskin, et al

　　據悉，一個4英寸（約10厘米）的圓晶矽片上，可以制造100萬個這樣的機器人。隻需要非常低的電壓，和非常少的能量就可以行動，能源利用效率非常高。并且它還非常堅固，可以忍受各種酸堿環境和超過200攝氏度的溫度變化。在制造完成後20秒時間内，就可以自由行動。

　　由于非常微弱的電流就可以控制其腿部運動，它們具備與微電子電路集成的巨大潛力，可以與傳感器和邏輯元件無縫集成（升級頭部）。這意味着，在未來，這些機器人将不僅僅是完成行走這樣的簡單任務，還可以接收來自傳感器和邏輯電路的更高級指令，具備感知能力和可編程性，進行豐富複雜的活動。

　　甚至，有一天，它可能成為我們體内的常駐工程師，用一根微小的針頭，就可以将成千上萬個機器人注射進我們的身體，完成各種功能。就像現在，它們已經可以順利通過針頭，并毫發無損。

　　小到極緻的微型機器人，即使通過針頭，再注射進人體，也毫發無損。|MarcMiskin, et al

　　不可避免的瓶頸，和非凡的應用前景

　　不過，凡事總有一些局限性。這款機器人，目前也面臨一些瓶頸。

　　比如，就現下而言，它們還未能擺脫人的直接控制。換句話說，仍是一群提線木偶。其能量來源、計算和決策元件與本體都是分開的，還需要研究人員用激光照射才能為機器人提供指令。

　　而這本質上依然是一種尺寸限制。如果能夠制造出完全自主的機器人，将能量存儲、邏輯電路和傳感器結合起來，當然會有更加廣闊的應用前景。但在小尺度上面臨着更加嚴苛的技術限制，能夠在500微米大小的微型機器人上實現的功能，對50微米的機器人可能異常困難，對5微米的機器人或許就不可能了。

　　所以，這款機器人目前更多是作為一種模型，在尚未突破技術限制之前，為我們展示微型機器人的非凡應用前景。如果有一天我們突破了這所有瓶頸，那麼就将真正迎來一個人造的微觀世界。

　　在那裡，無數機器人像細菌一樣生活在我們的組織和血液裡，提醒我們可能的健康風險，以及擇機進行外科手術；當細胞癌變時，它們又聚攏起來，與一個個癌細胞奮勇作戰，并通過手機告訴我們病情。

　　當我們的孩子們去野外取一滴水，放在顯微鏡下，看到的将不止有草履蟲和細菌，還可能有一個個小機器人，見證我們與自然的奇異互動。

　　真的很期待那一天到來，不知道你是否和我一樣呢。

(科普中國中央廚房)

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