全球最小全自主機器人誕生，自帶大腦、成本僅1美分

如果你看過科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage），一定不會忘記那艘縮小后進入人體血管的潛水艇。幾十年來，科學家們一直在夢想創(chuàng)造出能進入人體內部、修補細胞的微型機器人。

近日，來自賓夕法尼亞大學和密歇根大學的科研團隊在頂級期刊 Science Robotics 上發(fā)表了一項成果。他們成功研制出世界上最小的、全自主且可編程的微型機器人：長約 300 微米，寬 200 微米，厚度僅為 50 微米，比一粒鹽還小，卻集傳感器、計算機、推進系統(tǒng)于一身，每顆成本僅一美分。更重要的是，它們不需要外部磁控、不需要線纜牽引，靠一束 LED 光就能存活數(shù)月，自己感知環(huán)境、做出決策。

“我們已經將自主機器人的尺寸縮小了 1 萬倍，”賓夕法尼亞大學工程學院電氣與系統(tǒng)工程系助理教授、論文資深作者 Marc Miskin 說。“這為可編程機器人開辟了一個全新的尺度。”

（來源：密歇根大學）

幾十年來，電子產品的體積越做越小，但機器人的微型化進程卻步履維艱。“制造尺寸在毫米級以下且能獨立運行的機器人極具挑戰(zhàn)性，”Miskin 坦言，“該領域已經被這個問題困擾了整整 40 年。”

那么，為什么造一個小機器人這么難？答案是：物理法則變了。

在人類所處的宏觀世界中，重力和慣性等力量主導著物體的運動。然而，當尺度縮小到細胞級別時，與表面積相關的力，如阻力和粘滯力便占據(jù)了主導地位。

換言之，在微觀尺度下，肢體驅動等適用于大型機器人的運動策略幾乎失效。極其微小的機械臂不僅容易折斷，制造起來也異常困難。因此，團隊必須設計一套全新的推進系統(tǒng)，一套順應而非對抗微觀領域獨特物理法則的系統(tǒng)。

就像大型水生動物（如魚類）通過向后推水獲得向前的反作用力，從而實現(xiàn)推進一樣。這種新型機器人不需要擺動身體，它們先產生一個電場，推動周圍溶液中的離子。這些離子進而推動附近的水分子，使機器人周圍的水流動起來。“這就好比機器人身處一條流動的河流中，但這流動的河水卻是由機器人自己制造的。”Miskin 解釋道。

機器人可以調節(jié)產生這種效應的電場，從而實現(xiàn)復雜的運動模式，甚至能像魚群一樣協(xié)調編隊，以每秒一個身長的速度前行。

由于產生電場的電極沒有任何活動部件，這些機器人極其耐用。“你可以用微量移液管將它們反復從一個樣本轉移到另一個樣本中，而不會對其造成損傷，”Miskin 說。在 LED 光源的照射下，它們可以持續(xù)游動數(shù)月之久。

圖 | 微型機器人電路概覽（來源：Science Robotics）

但要實現(xiàn)真正的自主，機器人需要一個大腦來進行決策，需要電子設備來感知環(huán)境并控制推進，還需要微型太陽能電池板來提供能源，而所有這些組件，都必須集成在一塊不足毫米大小的芯片上。這正是密歇根大學 David Blaauw 團隊大顯身手的地方。

Blaauw 的實驗室保持著“世界最小計算機”的紀錄。五年前，當 Miskin 和 Blaauw 在國防部高級研究計劃局（DARPA）舉辦的一次演講中初次相遇時，兩人立刻意識到他們的技術簡直是天作之合。“我們發(fā)現(xiàn)，賓夕法尼亞大學的推進系統(tǒng)和我們的微型電子計算機簡直是為彼此量身定做的，”Blaauw 回憶道。盡管如此，雙方仍歷經了五年的艱苦攻關，才造出了第一臺可工作的機器人原型。

“電子系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)在于太陽能電池板太小了，只能產生 75 納瓦的功率，比智能手表的功耗低了 10 萬倍以上。”為了讓機器人的計算機在如此微弱的功率下運行，密歇根團隊開發(fā)了極其低壓的專用電路，將計算機的功耗降低了 1,000 倍以上。

即便如此，太陽能電池板還是占據(jù)了機器人的大部分空間。因此，第二個挑戰(zhàn)是如何在僅剩的微小空間內塞進處理器和存儲程序所需的內存。“我們必須徹底重新構思計算機指令，”Blaauw 說，“我們將傳統(tǒng)上需要多條指令才能完成的推進控制壓縮為一條特殊的指令，以此縮減程序長度，使其能裝入機器人極小的內存空間中。”

正是這些創(chuàng)新，造就了首款真正能思考的亞毫米級機器人。據(jù)研究人員所知，此前從未有人將真正的計算機，包含處理器、內存和傳感器植入如此微小的機器人體內。這一突破使它們成為首批能夠獨立感知并采取行動的微型機器人。

作為首款集成了處理器、內存、傳感器和制動器的亞毫米級機器人，其應用潛力不可估量。

首先，憑借與生物細胞相當?shù)某叽纾鼈冇型麧撊肴梭w內部，實時監(jiān)測單個細胞的健康狀況（如通過溫度反映細胞代謝活性），甚至進行靶向給藥；其次，通過編程，成群的微型機器人可以像魚群一樣協(xié)同工作，在微觀尺度上組裝復雜的微機電系統(tǒng)。

目前，該機器人被視為一個通用的技術平臺。未來版本的機器人將能夠存儲更復雜的程序，移動速度更快，集成新型傳感器，或在更嚴苛的環(huán)境中作業(yè)。

1.Maya M. Lassiter et al. ,Microscopic robots that sense, think, act, and compute.Sci. Robot.10,eadu8009(2025).DOI:10.1126/scirobotics.adu8009

2.https://futurism.com/future-society/robot-small-travel-human-body

3.https://interestingengineering.com/ai-robotics/worlds-smallest-autonomous-microrobots

4.https://news.engin.umich.edu/2025/12/worlds-smallest-programmable-robots-perform-tasks/