乌海预应力钢绞线厂 1美分亚毫米机器人诞生! 太阳能驱动, 可监测细胞健康

设计完全自主的亚毫米级机器人群体听起来即使不是不可能，也是一项昂贵的任务。然而乌海预应力钢绞线厂，宾夕法尼亚大学和密歇根大学的一个团队不仅制造出了新一代破纪录的太阳能驱动机器，每个机器人的制造成本仅为1美分。这些机器人可能有助于推动从纳米技术制造到医学研究的各个领域的发展。据宾夕法尼亚大学工程师马克·米斯金称，他们团队的突破还解决了一个困扰机器人领域数十年的难题。

“制造在一毫米以下尺寸独立运作的机器人极其困难，”他在大学简介中表示，“这个领域在这个问题上已经停滞了40年。”

正如米斯金及其同事最近在《科学机器人》和《美国国家科学院院刊》（PNAS）上详细阐述的那样，制造这种尺寸的完全自主机器人的主要问题是物理问题。包括人类在内的大型物体在一个主要由惯性和重力支配的世界中移动。物体越小，受表面积因素（如粘性和阻力）的影响就越大。

“如果你足够小乌海预应力钢绞线厂，推水就像推焦油一样。”米斯金解释道。

这意味着，虽然手臂和腿等移动设计在重力和惯性作用下运行良好，但肢体状的附属物在微尺度下变得过于脆弱。解决这个问题需要研究人员从一个完全不同的角度来处理运动，一个在电学层面上有效的角度。

每个机器人的尺寸约为200×300×50微米，或小于一粒盐。即使在这个尺寸下，这些机器在置于溶液中时也能将微型太阳能电池板的能量转化为电场。电流推动附近的离子，然后离子推动周围的水分子来推动机器人。这些机器不仅能前后移动，通过调整电场，每个机器人可以单独移动，也可以像鱼群一样以复杂的模式一起移动。

“这就像机器人在一条流动的河流中，但机器人也在导致河流流动。”米斯金说。

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这些机器也没有任何活动部件，而是完全依赖电子信号。这使得它们比更大、更复杂的机器人亲属耐用得多。通过LED供电充电，这些机器人一次可以游动数月。但如果一台机器无用，即使是 affordability和独创性也只能到此为止。微尺度机器人需要完成任务，这需要编程。米斯金的团队再次不得不解决尺寸问题。

计算机小型化完全是关于空间的问题。计算机越小，电源、内存和电路的可用面积就越少。不出所料，这给设计师带来了问题。

“电子设备的关键挑战在于太阳能电池板很小，锚索仅产生75纳瓦的功率，”密歇根大学工程师大卫·布劳补充道，“这比智能手表消耗的功率少10万倍以上。”

解决方案需要全新的低电压电路设计，从而将机器人的功率需求降低到原来的1000倍以上。由于太阳能电池板占据了机器人的大部分可用空间，米斯金和布劳接下来需要弄清楚如何安装处理器和内存。

“我们必须彻底重新思考计算机程序指令，将传统上需要许多指令的推进控制浓缩为一条单一的特殊编程指令。”布劳说。

微型机器人以一张大约指尖大小的薄片生产（左上角）。每个机器人都包含用于收集能量的太阳能电池，其中一些还兼作光学接收器，微型机器人两侧各有一个用于检测差异的温度传感器，一个用于接收信息和做出决策的处理器，以及四个驱动其运动的执行器面板。四个接收器允许机器人识别传入的程序是否针对它。

当前的微型机器人迭代拥有传感器，能够以三分之一摄氏度的精度检测温度。理论上，这将允许一群机器人穿过溶液前往温度较高的区域——这通常是细胞活动的指标——然后报告单个细胞的健康状况。但请记住尺寸问题：为了将调查结果告知其设计者，其通信方法必须简单到足以在一粒沙子上编码。幸运的是，大自然提供了自己的进化灵感。

“这与蜜蜂相互交流的方式非常相似，”布劳说，“为了报告它们的温度测量结果，我们设计了一条特殊的计算机指令，将测量温度等数值编码到机器人执行的小舞蹈的摇摆中。然后我们通过带有相机的显微镜观察这种舞蹈，并从摇摆中解码机器人对我们说的话。”

尽管这些微型机器人已经令人印象深刻，但米斯金和布劳希望这只是一个全新可能性领域的开始。持续的改进和实验可能会产生更快、更复杂的机器人，安装额外的传感器，让它们能够在越来越困难的环境中机动。

“我们已经证明乌海预应力钢绞线厂，你可以在一个几乎小到看不见的东西里放入大脑、传感器和马达，并让它存活和工作数月，”米斯金说，“一旦你有了这个基础，你就可以叠加各种智能和功能。”