這些小到極致的機器,將改變我們生活的方方面面

1966年,一部領先時代的科幻電影顛覆了許多人的想象力。這個名叫《神奇旅程》(Fantastic Voyage)故事講述了人們被縮小到微觀尺寸,並被送入一位受傷的科學家體內修復他的大腦。

快進到21世紀,微型機器人早已不是科幻中的想象。機器人通常指的是執行某些特定任務的機器,從寵物大小到用來執行重型雜務的大型設備應有盡有。

近年來,微型和奈米級的機器人也成了研究的熱點領域。這些「小傢伙」可以在身體裡自由移動,相互交流,執行工作,甚至在完成任務後分解。許多科學家相信,這類微型機器人有朝一日將對我們生活的方方面面產生重要影響

微型機器人的挑戰

可以想象,將機器人微型化到微米和奈米尺度,絕對不是一件簡單的事情,其中兩項關鍵挑戰是運動和動力

我們根本不可能在這些「小傢伙」身上安裝齒輪或者電池,目前仍然沒有足夠小的電池技術用於這類機器人的能量儲存。這意味著,這些機器人要麼只有較短的電源壽命,要麼需要一個繫繩或某種無線能源。

許多機器人會採用游泳策略,並以化學方式驅動,或者以磁場或其他能量(包括光、熱或電)作為外部動力。比如,一組研究團隊開發了「奈米火箭」(nanorocket),它可以在胃或胃腸道中用胃液作為燃料來推動自己,並在其後面留下一串氣泡。

儘管如此,這一領域仍在繼續尋找新型能源,能持續供能更長時間,並在無需技術人員干預的情況下自主運轉。

近日,史丹佛大學的一個研究小組在開發7.8毫米寬的摺紙機器人方面取得了一個里程碑,他們已經開發出了一臺概念驗證原型,稱之為「毫米機器人」(millirobot)。

」(millirobot)

「毫米機器人」運動示意圖。(圖/Ze, Q. et al.)

這臺機器人使用克雷斯林摺紙(Kresling origami)的摺疊和展開來實現滾動、翻轉和自旋。利用磁場無線操作,機器人可以在狹窄的空間裡移動,為完成任務而改變形態,未來有望應有在各種醫療領域,比如診斷疾病、輸送藥物,甚至進行手術。

群體合作與自我毀滅

通常,我們並不會指望微型機器人「單打獨鬥」,一般成百上千個單元將合作完成一項工作。它們可以聚集成一個團隊,合作完成集體行動。

此外,它們微小的尺寸也限制了它們無法攜帶和驅動成熟的「人工大腦」。安裝在這些機器人上的計算硬體暫時還無法帶來比「扇動左翼」更復雜的能力,也還無法讓它們完全自主工作,也就是說,一些微型機器人可能知道如何扇動它的翅膀,卻沒有能力決定自己要去哪裡。

通常,科學家需要藉助群體運動規劃和機器學習,灌輸去中心化的通訊,形成一種群體智慧

同時,我們也不難想象,無論是進行手術,還是輸送藥物,沒人希望在特定的任務完成後,還有一群奈米機器人在他們的身體裡滯留。即使不進入身體,我們也不希望進行戶外監測的機器人最終反而對環境產生了負面影響。

因此,科學家也正致力於尋找合適的可降解材料製造機器人。這樣一來,它們在病人體內停留的時間有限,一旦完成任務,就可以會被清除消失。

不斷地嘗試和廣闊的前景

目前,世界多所大學和研究機構的頂尖實驗室已經開始嘗試各種各樣的微型機器人。

RoboBee(機器蜜蜂)

RoboBee(機器蜜蜂)

(圖/Wyss Institute at Harvard University)

這是一個靈感來自蜜蜂的生物學特性的機器人。它差不多有一便士硬幣那麼大,未來有望用於農作物授粉、搜尋和救援任務、監視,以及天氣和氣候監測。這個模型機器人由一個小型的電繫繩提供動力和控制。

RoboFly(機器蒼蠅)

RoboFly(機器蒼蠅)

(圖/University of Washington)

RoboFly與RoboBee非常相似,它比牙籤略重,大小和一隻真正的蒼蠅差不多,由指向它身體的一束鐳射束驅動。科學家希望它最終能夠用於尋找氣體洩漏點,並從無線電頻率的信號中獲取能量,或使用微型電池作為動力源。

Micro-scallops(微型扇貝)

Micro-scallops(微型扇貝)

(圖/ALEJANDRO POSADA/MPI-IS)

一個機械扇貝只有幾分之一毫米那麼小。它們由外部磁場驅動,是一種用來在血液內或眼睛周圍導航的原型機,並期待在未來應用在醫療中。

前面提到的「奈米火箭」是第一個在活體小鼠模型中測試的人造微型電機。如今,更多的實驗室正在活體動物中測試他們的技術。

許多科學家相信,將來在技術更成熟時有望進行更多臨床試驗。這些微型機器人在未來將擁有非常廣闊的應用前景。

#創作團隊:

撰文:Gaviota

排版:雯雯

#參考來源:

https://theconversation.com/five-of-the-worlds-tiniest-robots-184790

https://wyss.harvard.edu/technology/robobees-autonomous-flying-microrobots/

https://spectrum.ieee.org/the-tiny-robots-will-see-you-now

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w

#圖片來源:

封面圖:University of Washington

首圖:Wyss Institute at Harvard University

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