破壁微米！首個細胞級尺寸、會思考機器人誕生| Science Robotics

近幾十年來，人類一直夢想著創造出能進入我們血管里治病的微型機器人。但一個殘酷的現實是：越小越笨。當機器人縮小到毫米以下，它要么得像提線木偶一樣被外部控制，要么就只能執行最簡單、最死板的動作。

美國賓夕法尼亞大學及密歇根大學的研究者們最近干了一件有點瘋狂的事。他們國際頂刊《Science Robotics》上發表的研究，成功構建出了尺寸與草履蟲相當的微型機器人，長寬大約是340微米和210微米，厚度只有50微米，差不多就是句號的大小。

真正瘋狂的不是尺寸，而是它在這個尺寸里，放進去了一臺能自主思考的微型電腦，能夠利用機載計算、感知、記憶、運動和通信系統進行感知、思考和行動，并在不確定的環境中協同工作，不需要人工干預就可以完成任務。

▍微米級“縮地術”：如何把電腦塞進細胞大小空間？

將智能機器人縮小到細胞級別，是工程學上的巨大挑戰。當尺寸縮減時，傳統芯片的漏電問題呈指數級加劇，能量收集和存儲變得極其困難，動力系統的效率也大幅下降。

這個困行業四十多年的瓶頸，其實大自然早已給出了解決方案。在微觀世界中，單細胞生物如草履蟲雖然沒有中樞神經系統，卻能通過細胞膜上的受體感知環境變化，并做出相應反應。

受此啟發，研究團隊采用了一種全新的設計哲學：不是簡單地縮小現有機器人部件，而是從頭構建一套符合微觀世界物理規律的全新體系。

他們采用標準的55納米互補金屬氧化物半導體工藝，在一枚尺寸僅為210×340×50微米的芯片上，集成了完整的機器人系統。這個系統包括：

• 能量心臟：微型光伏電池，將光能轉化為約100納瓦電能，約為普通計算器功耗的萬分之一）；
• 微型大腦：定制的11位處理器，包含32項11位指令存儲和16項8位數據存儲單元，能夠在極低功耗下運行定制算法；
• 感官系統：高精度溫度傳感器，能以0.3°C的分辨率感知周圍環境變化；
• 運動器官：四個電極驅動的電動力推進系統，通過調節電場方向控制機器人在液體中的運動；
• 通信窗口：光接收器，通過特定光信號接收程序指令。

微型機器人電路概覽

這就像一個完整的微縮城市，每個功能區都被精心規劃在最合理的位置，最大限度地利用有限的面積和能量預算。

▍核心突破一：在微觀芯片上實現神經與身體的共融

這項研究的基石，是在同一塊細胞大小的硅片上，同時實現了機器人的大腦（計算與通信）與身體（推進與執行）。

大腦，就是一個為微觀世界定制的自主計算機。團隊設計的核心是一套11位的專用指令集計算機。它最大的創新在于，將“感知溫度并存儲”或“按特定波形運動”等復雜的機器人任務，壓縮為單條指令。這使得機器人能在僅約16納瓦的超低功耗下，運行包含32條指令的程序，處理來自傳感器的數據，并做出決策。

編程方式也極為精巧。一束光同時充當了電源線和網線。機器人能識別光信號中的特定“密碼”，接收新指令。程序一旦載入，它便進入完全自主狀態，不再需要任何外部控制線或電池。

身體，則是一套高效、可控的動力執行系統。機器人的身體由四個微電極驅動。通過編程改變電極的極性，能在周圍液體中產生不同的電場，從而推動機器人實現前進、旋轉、畫弧等14種基礎運動，速度達到3至5μm/s。這種電動力推進方式無需活動部件，與芯片制造工藝完美兼容，穩定且可靠。

可重新編程的運動

▍核心突破二：從能執行到會反應的智能閉環

僅僅能“動”還不夠，真正的智能體現在能感知并自主反應。這正是此項研究超越前作的標志性突破。

研究人員為機器人集成了高精度溫度傳感器，分辨率達0.3℃。更重要的是，他們通過編程，將傳感器的讀數與運動指令直接掛鉤，創造了微觀機器人的條件反射。

在“溫度梯度攀爬”實驗 中，這種能力得到了生動體現：機器人被賦予簡單的邏輯——尋找更溫暖的地方。

當傳感器感到變冷時，它自主啟動弧形運動進行探索。一旦游到更溫暖區域，便立即切換為原地旋轉，標志著已找到目標。整個過程完全自主，無需任何外部遙控。

這證明，機器人已能根據環境實時數據，在不同行為模式間智能切換，實現了從被動執行到主動適應的跨越。

由傳感器反饋控制的運動

▍從實驗室到現實：改變游戲規則的未來應用

這種具有完全自主性的微型機器人打開了一系列令人興奮的應用可能性。每臺機器人的制造成本極低，大規模生產后可能僅為0.01美元，使其具備了廣泛部署的經濟可行性。

醫療領域將首當其沖被變革。想象未來，成千上萬個微型機器人作為“靶向藥物快遞員”被注入人體。它們能根據腫瘤部位的微酸環境或特定溫度變化，在精確位置釋放藥物，極大提高療效并減少副作用。它們甚至可能執行微觀手術，直接清除血管中的微小斑塊。

在精密制造領域，這些機器人可以進入傳統工具無法觸及的微管道、芯片內部結構或發動機葉片冷卻通道，執行高分辨率檢測，提前發現微裂紋或堵塞問題；在科研中，它們可被部署于微流控芯片，實時監測細胞培養環境的參數變化；在環境保護中，它們能深入土壤孔隙或水體微區域，收集傳統傳感器無法獲取的局部數據。

這項技術還為微觀尺度下的群體協作奠定了基礎。通過簡單的“密碼”區分，不同機器人可被分配不同任務。

▍未來：微型機器人的下一步升級

盡管取得了突破性進展，這項技術仍面臨諸多挑戰。目前的運動速度仍然較慢，能源效率有待提高，機器人與外部世界的交互方式也需要進一步擴展。

研究團隊已經規劃了清晰的技術路線。

采用更先進工藝，將內存容量提升百倍，支持更復雜程序；開發新型執行器，研究電化學等新型驅動方式，提高運動效率和可控性；集成更多傳感器，將多種傳感功能融合到單一芯片平臺；探索新型通信方式，研究化學信號、微弱電場等更適合微觀環境的通信手段。

正如馬克·米斯金教授所展望的，這僅僅是微觀自主智能時代的開端。他和團隊相信，未來的微觀機器人群落將具備更復雜的能力，在人體內、工業系統中乃至更遙遠的空間里，去執行那些我們今天難以想象的任務。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adu8009