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原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/01/260105165815.htm
原文作者：University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science
科学家创造出比盐粒还小且能思考的机器人
研究人员创造了微型、由光驱动的机器人，它们可以游泳、思考，并存活数月。
宾夕法尼亚大学和密歇根大学的研究人员制造出了有史以来最小的、完全可编程的自主机器人。这些微型机器几乎看不见，尺寸约为 200 x 300 x 50 微米，比一粒盐还要小。它们可以在液体中游泳、感知周围环境、自主响应，并且可以持续运行数月，制造成本仅需一美分左右。
由于它们与许多微生物处于同一尺度，这些机器人未来或许可以帮助医生监测单个细胞，或协助工程师组装先进制造中使用的微小设备。
这些机器人完全由光驱动，内置了微型计算机，使其能够遵循预设路径、检测局部温度变化并相应地调整运动。
这项工作已发表在《Science Robotics》和《Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)》上。与以往的微小机器不同，这些机器人不依赖电线、磁场或外部控制，这使它们成为该尺度下首批真正的自主和可编程机器人。
宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程助理教授、论文的资深作者 Marc Miskin 说："我们制造出了小 10,000 倍的自主机器人。" "这为可编程机器人在一个全新的尺度上开辟了可能性。"
缩小机器人为何如此困难
过去几十年，电子产品不断缩小，但机器人技术并未遵循相同的轨迹。据 Miskin 介绍，在亚毫米级实现独立性一直是一个未解决的难题。他表示："在亚毫米级制造可独立运行的机器人非常困难。" "这个领域在这个问题上基本停滞了 40 年。"
在日常尺度上，运动受引力和惯性等力的影响，这些力取决于物体的体积。然而，在微观尺度上，与表面相关的力占主导地位。阻力和粘度变得压倒性，极大地改变了运动方式。Miskin 说："如果你足够小，推水就像推过焦油一样。"
由于物理学的这种转变，传统的机器人设计失效了。微小的手臂或腿容易断裂，且极难制造。Miskin 解释说："非常小的腿和手臂容易折断，制造起来也非常困难。"
为了克服这些限制，研究人员开发了一种全新的机器人移动方式，它顺应微观世界的物理规律，而不是与之对抗。
微型机器人如何游泳
鱼类和其他大型游泳物种通过将水向后推来产生前进的运动，这是基于牛顿第三定律的。这些微小机器人的方法则大不相同。
这些机器人不通过弯曲或摆动，而是产生一个电场，轻轻地推动周围液体中的带电粒子。当这些离子移动时，它们会将附近的水分子一起拖动，从而在机器人周围的流体中产生运动。Miskin 说："这就像机器人在一条流动的河里一样，" "但机器人也在推动河流流动。"
通过调整这个电场，机器人可以改变方向、沿着复杂的路径移动，甚至可以协调运动，形成类似鱼群的群体。它们可以达到每秒一个身长的速度。
由于这种游泳方法使用没有移动部件的电极，所以这些机器人非常耐用。据 Miskin 介绍，它们可以被微移液器反复转移到不同样本中而不会损坏。机器人由 LED 灯供电，能够持续游泳数月。
将智能塞入微小身体
真正的自主性需要的不仅仅是移动能力。机器人还必须能够感知环境、做出决策并自我供能。所有这些组件都必须集成到一个只有不到一毫米宽的芯片上。密歇根大学的 David Blaauw 团队承担了这项挑战。
Blaauw 的实验室已经拥有制造世界上最小计算机的记录。五年前，当 Blaauw 和 Miskin 在美国国防高级研究计划局（DARPA）的一次会议上相遇时，他们很快意识到他们的技术可以互补。Blaauw 说："我们看到宾夕法尼亚大学工程学院的推进系统和我们的小型电子计算机简直是天作之合。" 尽管如此，将这个想法转化为一个可工作的机器人还是需要五年的开发时间。
最大的障碍之一是能源。Blaauw 说："对电子设备来说，关键挑战是太阳能电池板很小，只能产生 75 纳瓦的功率。这比智能手表消耗的功率要少 10 万倍以上。" 为使系统正常工作，团队设计了在极低电压下运行的专用电路，将功耗降低了 1000 多倍。
空间是另一个主要的限制因素。太阳能电池板占据了机器人表面的大部分，为计算硬件留下的空间非常有限。为解决这个问题，研究人员重新设计了机器人的软件工作方式。Blaauw 解释说："我们必须完全重新思考计算机程序指令，" "将通常用于推进控制的许多指令浓缩成一条特殊的指令，以缩短程序长度，使其能够装入机器人微小的内存空间。"
能感知和通信的机器人
这些进步共同创造了研究人员认为是首个具备真实决策能力的亚毫米级机器人。据他们所知，以前没有人将包含处理器、内存和传感器的完整计算机集成到如此小的机器人中。这一成就使得机器人能够感知其环境并独立响应。
这些机器人内置了电子温度传感器，可以检测到低至 0.3 摄氏度的变化。这种能力使它们能够向温度较高的区域移动，或报告可作为细胞活动指标的温度值，从而提供监测单个细胞的方法。
报告这些测量结果需要一个巧妙的解决方案。Blaauw 说："为了报告它们的温度测量结果，我们设计了一个特殊的计算机指令，它将一个值（如测得的温度）编码在机器人执行的一个微小'舞蹈'的摆动中。" "然后我们通过带摄像头的显微镜观察这个舞蹈，并从摆动中解读出机器人在告诉我们什么。这与蜜蜂彼此交流的方式非常相似。"
为机器人供电的相同光线也用于对其进行编程。每个机器人都有一个唯一的地址，允许研究人员向不同的单元上传不同的指令。Blaauw 补充说："这开辟了许多可能性，" "每个机器人都有可能在一个更大的联合任务中执行不同的角色。"
未来微型机器的平台
目前的机器人只是一个开端。未来的版本可以携带更先进的程序、移动得更快、包含额外的传感器，或在更恶劣的环境中运行。研究人员将该系统设计成一个灵活的平台，将一种稳健的推进方法与可以廉价制造和随着时间推移而适应的电子元件相结合。
Miskin 说："这真的只是第一章。" "我们已经证明，你可以将大脑、传感器和马达集成到几乎看不见的东西中，并使其存活并工作数月。一旦有了这个基础，你就可以在此基础上叠加各种智能和功能。这为微观尺度的机器人技术开启了一个全新的未来。"
该研究是在宾夕法尼亚大学（Penn）工程学院、宾夕法尼亚大学文理学院以及密歇根大学电气工程和计算机科学系进行的。资金来自美国国家科学基金会（NSF 2221576）、宾夕法尼亚大学校长办公室、空军科学研究办公室（AFOSR FA9550-21-1-0313）、陆军研究办公室（ARO YIP W911NF-17-S-0002）、Packard基金会、Sloan基金会，以及支持辛格纳米技术中心的 NSF 国家纳米技术协调基础设施计划（NNCI-2025608），以及富士通半导体公司。
其他合著者包括宾夕法尼亚大学的 Maya M. Lassiter、Kyle Skelil、Lucas C. Hanson、Scott Shrager、William H. Reinhardt、Tarunyaa Sivakumar 和 Mark Yim，以及密歇根大学的 Dennis Sylvester、Li Xu 和 Jungho Lee。
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