世界最小的可编程、全自主微型机器人在美国研发成功
在微纳制造与生物医学交叉的前沿领域，机器人实现“微型化且具备自主行为”一直被视为核心技术挑战。近日，由美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院与密歇根大学组成的联合研究团队，成功开发出目前公开报道中最小的可编程、全自主微型机器人。这些尺寸极小的游动机器人几乎难以用肉眼识别，却能在无外部操控、无磁场驱动、无远程遥控的条件下，自主感知环境并调整自身行为，为微尺度制造和细胞级监测等应用提供了新的技术路径。
据披露，每个机器人的尺寸约为 200 × 300 × 50 微米（相当于 0.2 × 0.3 × 0.05 毫米），小于一颗食盐颗粒。其内部集成了微型计算模块与传感单元，并通过微型太阳能装置进行光能供给，可在液体环境下持续运行数月，制造成本低至每台约一美分。研究成果已发表于《Science Robotics》及《PNAS（美国国家科学院院刊）》等权威期刊，其中《Science Robotics》论文聚焦于具备计算与决策能力的机器人平台，而《PNAS》则系统解析了其关键推进机制。
在实现自主运动这一技术难点上，研究团队摒弃了微尺度下易失效的传统机械结构，如微小的腿部或手臂，转而采用电化学与电动学原理。机器人通过电极在周围液体中产生电场，诱导离子迁移并带动邻近水分子形成推力，从而实现“以水推身”的运动方式。宾夕法尼亚大学电气与系统工程助理教授、论文资深作者 Marc Miskin 以生动的比喻解释微尺度下的运动环境：“当小到一定程度时，在水中移动就像在焦油中推行。”他还指出，此次研究将自主机器人的尺寸缩小到了此前难以实现的尺度范围——“我们把自主机器人尺寸缩小了 10,000 倍”，从而开辟了可编程机器人的新尺度空间。在该推进机制下，机器人最高可达到每秒约一个自身长度的移动速度，并能实现复杂轨迹运动，甚至支持群体协作。
真正使其具备“自主”能力的关键在于将“计算、感知与能源管理”等核心功能集成在亚毫米级平台上。密歇根大学电气与计算机科学教授 David Blaauw 团队负责超低功耗计算系统的开发。该系统的太阳能供能单元在该尺度下的输出功率约为 75 纳瓦，比智能手表的能耗低超过 10 万倍。为了在如此微弱的能源供应下运行处理器和存储模块，研究人员设计了超低电压电路，并通过优化指令架构，将原本需多条指令完成的推进控制任务精简为更高效的程序表达方式。Blaauw 表示：“Penn Engineering 的推进系统与我们的微型计算机系统是天生互补的。”
在感知能力方面，这批微型机器人配备了温度传感器，分辨率达到约 0.3 摄氏度，并具备沿温度梯度进行定向运动或反馈局部温度的能力，从而可用于监测细胞活动等应用。在通信方面，研究者创新性地采用了“摆动舞步”进行信息编码，通过显微镜与相机系统解码其运动模式，Blaauw 将其类比为蜜蜂的“摇摆舞”行为。此外，机器人还可通过光脉冲实现编程与供能的同步操作，并具有唯一标识，支持为不同个体加载不同的任务程序。
宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院是该校在工程研究和人才培养方面的重要支柱，长期在机器人、材料与微纳系统领域开展深入研究；而密歇根大学则在集成电路与超低功耗计算领域有着深厚积淀，其相关实验室曾推动“亚毫米计算机”等突破性成果进入学术和工程视野。该项目得到了美国国家科学基金会（NSF）等机构的资助。同时，文中也提到美国国防高级研究计划局（DARPA）曾在早期推动研究者之间的交流，日本富士通半导体等机构也出现在项目支持名单中，显示出该微型机器人平台与先进半导体生态系统之间存在天然的技术联系。
研究团队认为，目前的版本更像是一个通用平台的初始版本。未来在保持可大规模制造的基础上，有望进一步提升程序复杂度、提高运行速度、集成新型传感器，并拓展至更具挑战性的应用场景。Miskin 表示，“我们已经证明，将计算单元、传感器和驱动器集成到几乎不可见的装置中并持续运行数月是可行的。这一技术基础将为未来叠加更多智能与功能提供可能性。”