微納機(jī)器人因其微小的尺寸（通常在 100 微米甚至更小）而備受關(guān)注�；谶@種尺寸優(yōu)勢(shì)，利用半導(dǎo)體工藝能夠在一個(gè)較大的硅片上制造出上百萬(wàn)個(gè)微納機(jī)器人，從而極大地降低了單個(gè)器件的成本。
然而不可忽視的是，微小的尺寸也帶來(lái)了功能上的限制，由于面積有限，難以在單個(gè)機(jī)器人上集成多個(gè)功能模塊。因此，如何控制大規(guī)模微納機(jī)器人集群成為亟待突破的瓶頸之一。
美國(guó)康奈爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)聚焦于這一問(wèn)題，通過(guò)在微納機(jī)器人之間建立信號(hào)傳遞機(jī)制，使每個(gè)機(jī)器人能夠感知周?chē)鷻C(jī)器人的信息并進(jìn)行信息交互，從而實(shí)現(xiàn)了協(xié)同工作。
具體而言，每個(gè)機(jī)器人都配備了一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)同步的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)其時(shí)鐘信號(hào)震蕩時(shí)，它會(huì)向周?chē)臋C(jī)器人傳輸信號(hào)。周?chē)臋C(jī)器人感知到信號(hào)后，會(huì)調(diào)整自身的時(shí)鐘信號(hào)，以與發(fā)送信號(hào)的機(jī)器人保持一致。最終，通過(guò)這種協(xié)調(diào)彼此運(yùn)動(dòng)步調(diào)方的式實(shí)現(xiàn)集體時(shí)鐘信號(hào)同步。
在電控微納機(jī)器人領(lǐng)域，此前的研究大多數(shù)集中在單個(gè)機(jī)器人的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制上。
該論文共同第一作者、康奈爾大學(xué)王偉博士（現(xiàn)任西湖大學(xué)助理教授）表示，該研究首次證明了通過(guò)信息傳遞，電控微納機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的集群協(xié)同運(yùn)動(dòng)，并展示了其強(qiáng)大的魯棒性。
圖丨王偉（來(lái)源：王偉）
該技術(shù)不僅為電控微納機(jī)器人領(lǐng)域提供了新的思路和方法，也為未來(lái)大規(guī)模微納機(jī)器人集群的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
該研究中的精準(zhǔn)的控制能力，可應(yīng)用于那些將多個(gè)小型機(jī)器人模塊組合成一個(gè)大型機(jī)器人（類(lèi)似自然界的千足蟲(chóng)）。大型機(jī)器人在拆分后，每個(gè)小型機(jī)器人仍能獨(dú)立工作，類(lèi)似于蚯蚓被切成數(shù)段后仍能獨(dú)立存活。
更長(zhǎng)遠(yuǎn)地來(lái)看，該研究為機(jī)器人集群的協(xié)同工作奠定了基礎(chǔ)。例如，未來(lái)如果能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，機(jī)器人之間將不再需要物理連接線(xiàn)，而是通過(guò)小型發(fā)光二極管（LED，Light-Emitting Diode）等設(shè)備進(jìn)行信號(hào)傳遞和協(xié)同。
圖丨微尺度機(jī)器人的可擴(kuò)展同步（來(lái)源：Science Robotics）
此外，研究人員正在嘗試在機(jī)器人上集成多種實(shí)用功能，例如加入可編程電路，并集成溫度傳感器，應(yīng)用于檢測(cè)和精準(zhǔn)定位人體中的腫瘤細(xì)胞。
王偉表示：“我們將探索讓大量微納機(jī)器人同步處理多個(gè)目標(biāo)，比如腫瘤細(xì)胞的可能性。通過(guò)高效的信號(hào)傳輸，它們有望更有效地完成任務(wù)�！�
日前，相關(guān)論文以《通過(guò)局部電子脈沖耦合實(shí)現(xiàn)自主微型機(jī)器的協(xié)調(diào)行為》（Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling）為題發(fā)表在 Science Robotics[1]。
康奈爾大學(xué)米拉德塔哈維（Milad Taghavi）博士擔(dān)任共同一作兼通訊作者，王偉博士是共同一作。
圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Science Robotics）
在另一項(xiàng)工作中，該課題組對(duì)微型人造纖毛的流體驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了深入探索。王偉設(shè)計(jì)了一種微納機(jī)器人腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)進(jìn)行控制。通過(guò)改變這兩個(gè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)腿部驅(qū)動(dòng)方向的調(diào)整。
“我們利用電壓信號(hào)控制纖毛運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生流場(chǎng)，通過(guò)改變電壓信號(hào)從而隨時(shí)調(diào)控流體的運(yùn)動(dòng)方向�！蓖鮽フf(shuō)。
圖丨 Lab on a Chip 當(dāng)期封面論文（來(lái)源：Lab on a Chip）
在該團(tuán)隊(duì)此前的工作中，盡管在人造纖毛能夠驅(qū)流體（DeepTech 此前報(bào)道：中國(guó)科學(xué)家構(gòu)建微米級(jí)人造纖毛超表面，首次將納米驅(qū)動(dòng)器與電路集成于 300 微米芯片，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)可編程微流控），但無(wú)法控制單個(gè)纖毛產(chǎn)生流體的運(yùn)動(dòng)方向。
在這次的研究中，研究人員進(jìn)一步改進(jìn)了纖毛結(jié)構(gòu)的流體驅(qū)動(dòng)能力。通過(guò)引入新的自由度，機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)能夠更有效地控制流體的方向，最簡(jiǎn)單的情況是可以控制流體向前、向后或停止流動(dòng)。
王偉指出，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于可以將多個(gè)腿部結(jié)構(gòu)組成陣列，并且每個(gè)腿部都可以獨(dú)立控制其流體方向。在高集成度的情況下，這種能力為未來(lái)將其與集成電路結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能提供了巨大的潛力。
此外，該技術(shù)還可以將微納機(jī)器人集成到傳統(tǒng)微流控芯片中，在幾十微米的小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)多樣化的流體流動(dòng)模式，從而調(diào)控局部的化學(xué)環(huán)境。研究人員還探索了微納機(jī)器人在溫度調(diào)控方面的應(yīng)用，通過(guò)結(jié)合傳感器和控制機(jī)制，機(jī)器人可以在局部區(qū)域感知溫度變化并且做出響應(yīng)，為未來(lái)的應(yīng)用提供了更多可能性。
圖丨掃描電子顯微鏡圖像和鉸鏈纖毛的泵浦機(jī)制（來(lái)源：Lab on a Chip）
從應(yīng)用方向來(lái)看，該研究中的微納機(jī)器人在尺度和功能與自然界纖毛的驅(qū)動(dòng)流體功能相似。因此，微納機(jī)器人不僅可以與現(xiàn)有的微流控技術(shù)結(jié)合，還可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
其未來(lái)的潛在應(yīng)用方向之一是將人造纖毛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如替換或修復(fù)受損的自然纖毛，從而在人體或動(dòng)物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的功能。這種生物應(yīng)用不僅拓展了微納機(jī)器人的使用場(chǎng)景，還可能實(shí)現(xiàn)一些目前難以實(shí)現(xiàn)的功能。
日前，相關(guān)論文以《基于電子驅(qū)動(dòng)的鉸鏈?zhǔn)饺斯だw毛實(shí)現(xiàn)高效雙向泵送》（Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping）為題發(fā)表在 Lab on a Chip，并被選為當(dāng)期封面 [2]。
王偉博士是第一作者兼通訊作者，康奈爾大學(xué)伊泰科恩（Itai Cohen）教授擔(dān)任共同通訊作者。
圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Lab on a Chip）
目前，王偉已入職西湖大學(xué)成立獨(dú)立課題組，并擔(dān)任助理教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄芪⒓{機(jī)器人。
他計(jì)劃在前期工作基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索各種微型致動(dòng)器的性能優(yōu)化，以開(kāi)發(fā)出性能更加以及有更多應(yīng)用環(huán)境的致動(dòng)器。另一方面，他還將重點(diǎn)關(guān)注微納機(jī)器人在機(jī)械和力學(xué)方面的應(yīng)用，尤其是與生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的場(chǎng)景。
“目前，我正在和西湖大學(xué)的老師們進(jìn)行跨學(xué)科合作，通過(guò)將集成電路與微型致動(dòng)器相結(jié)合，希望設(shè)計(jì)出具備更多功能的微型機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景�！蓖鮽フf(shuō)。
參考資料：
1.Milad Taghavi, Wei Wang et al. Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling. Science Robotics 9, 96(2024). DOI: 10.1126/scirobotics.adn80
2.Wei Wang et al. Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping. Lab on a Chip 24, 4549(2024). DOI: 10.1039/d4lc00513a
3.https://www.westlake.edu.cn/faculty/wei-wang.html
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
