研究人员打造全球最小可编程自主机器人

宾夕法尼亚大学与密歇根大学的科研团队近日合作研制出迄今体积最小、完全可编程的自主式微型机器人。这些微纳级装置的宽度仅为毫米的十分之一，具备环境感知、自主决策、液体中游动能力，并可持续运行数月之久。

单个机器人尺寸约为200微米×300微米×50微米，比一粒普通食盐还要小得多，单台制造成本低至约1美分。尽管体积极其微小，它们却无需依赖外部磁场、物理连线或遥控设备，即可独立完成运动、传感、运算及环境响应等复杂任务。宾夕法尼亚大学电气与系统工程系助理教授马克·米斯金指出，该类机器人相比当前主流微型机器人缩小了约一万倍，标志着可编程微机器人正式迈入全新尺度层级。

相关研究成果已分别发表于《科学·机器人学》（Science Robotics）与《美国国家科学院院刊》（PNAS）。研究团队提出多种潜在应用场景，例如对单个活体细胞进行长期健康状况监测，或参与纳米级精密结构的原位装配。由于其尺寸与细菌、真核细胞相近，未来有望深入生物组织内部执行靶向探测，亦可在常规机器人无法进入的微观工业产线中承担智能作业角色。

在亚毫米尺度下，重力与惯性效应显著减弱，而表面张力、流体粘滞阻力等主导作用增强，传统机械驱动结构往往难以稳定工作。为此，研究团队设计了一种新型电驱动机制：通过施加外部电场调控周围液体中的离子分布，进而扰动水分子定向运动，形成局部“微流体通道”，使机器人得以在自身不配备推进器的前提下实现可控位移，仿佛置身于一条由电场引导的“微型河流”之中。

实验表明，该机器人可沿预设复杂路径稳定行进，最高速度可达每秒一个自身体长；多台个体还可模拟生物集群行为，在无中心指令条件下实现协同运动。整套系统仅需一盏普通LED光源供电，无任何活动机械部件，因此结构极为稳健，适用于反复抓取、转移微小样本而不造成损伤，且连续运行时间长达数月。

为赋予其真正意义上的自主智能，研究人员集成了密歇根大学戴维·布劳课题组开发的超微型计算单元——该芯片曾在DARPA前沿技术研讨会上被列为关键互补型器件。其搭载的微型太阳能电池仅能输出75纳瓦功率，不足一块智能手表能耗的十万分之一；但其定制电路可在极低电压下高效运转，将处理器、存储器、温度传感器与驱动模块全部集成于数百微米见方的硅基平台上，温度分辨精度达±0.33℃，并可实时追踪热梯度变化、回传环境数据。

人机交互方式也颇具创意：人类通过特定频率的肢体动作（如手部摆动）向机器人传递信息，内置计算机将接收到的温度等参数转化为有规律的高频微振动——形似蜜蜂“摇摆舞”的编码逻辑；显微镜头下的高速摄像系统则负责实时捕获并解码此类信号。此外，不同波长与脉冲模式的光束可用于对群体中任一成员单独供能与编程，从而支持异构化任务分配与协作机制。

米斯金与布劳一致认为，这项工作不仅是技术突破，更构建了一个兼具结构简洁性、电子高效性与制造可扩展性的通用微机器人平台，有望服务于分布式微观智能所需的各类前沿领域，正式拉开微机器人实用化新时代的序幕。

源码地址：点击下载