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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、具有思考能力的机器人
研究人员创造出了微型、由光驱动的机器人，它们能够思考、游泳，并能存活数月之久。
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。这些微型机器能够在液体中游泳，感知周围环境，自主响应，一次可运行数月，且制造成本仅需约一美分。
每个机器人几乎在没有放大镜的情况下无法看见，尺寸约为 200 x 300 x 50 微米。这使它们比一粒盐还小。由于它们与许多活体微生物处于同一尺度运行，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，内部装有微型计算机，使它们能够遵循预设路径、探测局部温度变化，并据此调整自己的运动。
这项工作已发表在《Science Robotics》和《Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)》上。与以往的微型机器不同，这些机器人不依赖电线、磁场或外部控制。这使它们成为迄今为止在如此小尺度上实现真正自主和可编程的机器人。
宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程系助理教授、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。这为可编程机器人开启了一个全新的尺度。”
为什么缩小机器人如此困难
在过去的几十年里，电子产品一直在不断缩小，但机器人技术并未遵循相同的轨迹。据 Miskin 介绍，在小于一毫米的尺寸下实现独立操作一直是一个尚未解决的挑战。“在小于一毫米的尺寸下构建独立运行的机器人非常困难，”他说。“这个领域实际上已经在这个问题上停滞了 40 年。”
在日常尺度上，运动受重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，表面相关作用力占主导地位。阻力和粘性变得压倒一切，极大地改变了运动的工作方式。Miskin 说：“如果你足够小，对水的推动就像在推粘稠的焦油一样。”
由于物理学的这种转变，传统的机器人设计会失效。微小的臂或腿容易损坏，并且制造起来极其困难。“非常小的腿和手臂很容易断裂，”Miskin 解释说。“而且它们也很难制造。”
为了克服这些限制，研究人员开发了一种全新的移动方式，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者通过将水向后推来产生向前的运动，这遵循牛顿第三定律。这些微小机器人的方法则完全不同。
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，它们会拖动附近的水分子一起移动，从而在机器人周围的流体中产生运动。Miskin 说：“这就像机器人身处一条流动的河流中，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，沿着复杂的路径前进，甚至可以协调它们的运动，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的是没有任何活动部件的电极，所以这些机器人异常耐用。据 Miskin 介绍，它们可以通过微量移液器反复转移到不同的样本中而不会损坏。机器人由 LED 灯光供电，能够持续游泳数月之久。
将智能打包到微型机体中
真正的自主性需要的不仅仅是运动。机器人还必须能够感知环境、做出决策并为其自身供电。所有这些组件都必须安装在一个只有不到一毫米大小的芯片上。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。五年前在国防高级研究计划局（DARPA）的一次会议上，Blaauw 和 Miskin 相遇后，他们很快意识到他们的技术是互补的。Blaauw 说：“我们看到宾夕法尼亚大学的推进系统和我们的小型电子计算机简直是天造地设的一对。”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。“对电子设备而言，关键挑战在于太阳能电池板很小，产生的功率仅为 75 nanowatts，”Blaauw 说。“这比智能手表消耗的功率少 100,000 多倍。”为了使系统正常工作，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。
空间也是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，为计算硬件留下了非常小的空间。为了解决这个问题，研究人员重新设计了机器人软件的工作方式。“我们不得不完全重新思考计算机程序指令，”Blaauw 解释说，“将通常需要许多推进控制指令浓缩成一个特殊的指令，从而缩短程序长度以适应机器人微小的内存空间。”
感知和通信的机器人
这些进步共同创造出了研究人员认为的第一个能够进行真正决策的亚毫米级机器人。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植入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。
这些机器人包含电子温度传感器，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。
将这些测量结果传输出去需要一个富有创意的解决方案。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，将一个值（例如测得的温度）编码在机器人执行的微小‘舞蹈’的摆动中。然后，我们通过带有摄像头的显微镜观察这个舞蹈，并从摆动中解码出机器人告诉我们的信息。这与蜜蜂之间相互交流的方式非常相似。”
为机器人供电的同一种光也被用来对它们进行编程。每个机器人都有一个唯一的地址，研究人员可以向不同的单元上传不同的指令。Blaauw 补充说：“这开启了一系列可能性，每个机器人都可能在一个更大的联合任务中执行不同的角色。”
未来微型机械的平台
目前的机器人只是一个起点。未来的版本可以携带更先进的程序，移动更快，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，将强大的推进方法与可以廉价制造并随时间推移进行适应的电子设备相结合。
Miskin 说：“这真的只是第一章。我们已经证明，你可以将大脑、传感器和马达放入一个几乎看不见的东西中，并使其存活和工作数月之久。一旦有了这个基础，你就可以在其上叠加各种智能和功能。这为微尺度机器人的全新未来打开了大门。”
研究由宾夕法尼亚大学（Penn）工程与应用科学学院、宾夕法尼亚大学文理学院和密歇根大学电气工程与计算机科学系进行。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 NSF 国家纳米技术协调基础设施计划（NNCI-2025608，该计划支持 Singh 纳米技术中心），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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