在微納制造與生物醫(yī)學(xué)交匯的前沿，機器人“小到能用、并且能自主工作”一直是關(guān)鍵門檻。近日，美國賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院與美國密歇根大學(xué)聯(lián)合宣布，團隊研制出目前已公開報道中“世界最小的可編程、全自主機器人”：這些微型游動機器人幾乎肉眼難辨，卻能在無外部牽引、無磁場、無“遙控搖桿”控制的情況下，自行感知環(huán)境并調(diào)整行為，為微尺度制造、細胞級監(jiān)測等應(yīng)用打開新的工程路徑。

據(jù)介紹，單個機器人尺寸約為200 × 300 × 50 微米（約 0.2 × 0.3 × 0.05 毫米），小于一粒鹽；其內(nèi)部集成了微型計算與傳感單元，并通過微型太陽能器件進行光供能，可在液體環(huán)境中連續(xù)運行數(shù)月，制造成本可低至“每個約一美分”。論文成果發(fā)表在《Science Robotics》與《PNAS（美國國家科學(xué)院院刊）》等期刊，其中《Science Robotics》對應(yīng)工作聚焦“可計算、可決策”的機器人平臺，《PNAS》工作則系統(tǒng)闡述了其關(guān)鍵推進機理。

在“運動”這一最難環(huán)節(jié)上，團隊避開了微尺度下極易失效的微小腿、臂等結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而采用電化學(xué)/電動學(xué)思路：機器人通過電極在周圍溶液中生成電場，推動離子遷移并帶動鄰近水分子形成推力，相當(dāng)于“讓水動起來，從而帶動機器人前進”。美國賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程助理教授、論文資深作者 Marc Miskin 用形象比喻解釋微尺度阻力環(huán)境：“小到一定程度，在水里運動就像在焦油里推行?！彼瑫r強調(diào)，團隊把自主機器人尺寸推進到過去難以企及的量級——“我們把自主機器人做小了 10,000 倍”，由此開啟了可編程機器人新的尺度空間。在該推進機制下，機器人最高速度可達每秒約一個“自身身長”，并可呈現(xiàn)復(fù)雜軌跡甚至協(xié)同“群游”。

而真正讓其跨入“自主”門檻的，是把“腦、感知與能量管理”壓縮到亞毫米級。美國密歇根大學(xué)（University of Michigan）電氣與計算機科學(xué)教授 David Blaauw 團隊負責(zé)超低功耗計算系統(tǒng)的集成：其太陽能供電單元在該尺度下輸出僅約 75 納瓦，比智能手表功耗低超過 100,000 倍；為在如此微弱能量預(yù)算下運行處理器與存儲，研究人員開發(fā)了超低電壓電路并將功耗進一步壓縮，同時通過重構(gòu)指令體系，把原本需要多條指令完成的推進控制“折疊”為更短的程序表達。Blaauw 表示：“我們看到 Penn Engineering 的推進系統(tǒng)與我們的微型計算機是‘天生一對’?！?/p>

在傳感能力上，團隊為該批次微型機器人配置了溫度傳感器，可實現(xiàn)約 1/3 攝氏度的溫度分辨，并能沿溫度梯度進行趨向運動或回報局部溫度（可作為細胞活動的代理指標(biāo)）。更具工程巧思的是“通信”：機器人通過特定“擺動舞步”的細微差異編碼測量值，研究人員在顯微鏡與相機下解碼其“舞姿信息”，Blaauw 將其類比為蜜蜂的“搖擺舞”交流方式。 機器人還可通過光脈沖實現(xiàn)編程與供能一體化，并具備唯一標(biāo)識，從而支持對不同機器人加載不同任務(wù)程序。

賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院是該校工程研究與人才培養(yǎng)核心機構(gòu)之一，在機器人、材料與微納系統(tǒng)方向長期投入；密歇根大學(xué)在集成電路與超低功耗計算領(lǐng)域積累深厚，相關(guān)實驗室曾推動“亞毫米計算機”等紀(jì)錄級成果進入學(xué)術(shù)與工程視野。該研究獲得美國國家科學(xué)基金會等機構(gòu)支持；同時文中亦提及美國國防高級研究計劃局（DARPA）曾促成研究者早期交流，以及日本富士通半導(dǎo)體等單位在項目支持名單中出現(xiàn)，顯示這一微型機器人平臺與先進半導(dǎo)體生態(tài)存在天然耦合。

研究團隊認為，這一版本更像“通用平臺的第一章”：未來可在保持可規(guī)?；圃斓那疤嵯?，進一步擴展程序復(fù)雜度、提高速度、引入新型傳感器并進入更具挑戰(zhàn)的環(huán)境。Miskin 表示，“我們已經(jīng)證明，你可以把大腦、傳感器和馬達放進幾乎看不見的東西里，并讓它存活、工作數(shù)月；有了這個地基，就能疊加更多智能與功能。