1959年，素有納米技術鼻祖之稱的諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman（理查德·費曼）曾提出“swallow the surgeon”的科技藍圖。費曼設想，未來的某一天，人類將不再需要外科醫生來進行手術，只需要將微型機器人放入人體，機器人就可以自行在體內進行手術和藥物的釋放等操作。微米級甚至納米級機器人技術的核心優勢在于，人類可以在宏觀機器人無法到達的微觀環境中，實現自動化，這將為人類社會帶來革命性的進步，包括醫療健康、工業生產、能源環保等等。在過去的50年中，摩爾定律在微電子領域的發展為快速發展的微型機器人領域帶來了巨大的機遇。如今，電、磁和光學系統可以提供前所未有的復雜、小體積和低成本的組合，并且可以很容易地適用于小于人類視覺分辨率極限的機器人（小于100 μm）。然而，微型機器人的大規模構建依然存在許多問題懸而未決，其中一個關鍵障礙就在于：缺乏與半導體工藝無縫集成并響應標準電子控制信號的微米級致動器系統。有鑒于此，康奈爾大學Itai Cohen，Paul L. McEuen，Marc Z. Miskin等人報道了一種新型電壓可控的電化學致動器（SEAs）有效克服上述障礙。這種致動器可在低電壓（200 mV）、低功率（10 nW）下工作，并且與硅工藝完全兼容，很容易與微電子元件集成，以實現大規模構建完全自主的微型機器人。設計能在在液體環境中移動的微型機器人，一直是本領域的關鍵難題，因為強大的阻力會阻止微型物體保持運動。為了克服這一挑戰，研究人員設計了一款新型的微型執行器電化學致動器（SEA），可將能量轉換為運動。這種新型的電化學致動器（SEAs）由納米級的Pt制成，并使用與制造計算機芯片相同的半導體納米制造技術制造。研究人員首先使用原子層沉積技術生長厚度為7 nm的鉑金屬，然后用石墨烯或濺射鈦等無活性材料覆蓋于裸露表面進行光刻。SEAs可以重復循環而不會發生明顯降解，可在大約10–100 ms時間內響應。當施加少量電流時，電流導致周圍溶液中的離子吸附到執行器的表面，從而改變了支腿中的應力，從而使其彎曲，制動器就會折疊和展開。在新型制動器的基礎上，研究人員制造了一個微型機器人原型，可于激光脈沖照射下在液體中自由運動。研究人員將這些執行器中作為支腿，支腿連接到機器人中央機架上的幾個光伏板。當操作員將激光照射在這些光伏板上時，執行器會彎曲并伸直，使其即便淹沒在水中，也能在顛簸的表面上緩慢移動。實驗人員可以通過將激光照射在不同的光伏板上來在彎曲前腿和后腿，并進行交替，從而推動機器人。這種機器人的制造從p型絕緣體上的硅晶片開始，使用標準摻雜、光刻和金屬化來創建機器人的板載電路。硅加工完成后，再對支腿進行沉積和圖案化制作，首先構建SEAs，然后是硬質面板。通過保持較低的工藝溫度(<250?°C)，這些工藝不會損害先前制造的電子元器件，并且與未來更復雜的互補金屬氧化物半導體（CMOS）完全兼容。換句話說，大范圍的CMOS電子器件可以被圖案化， SEAs可以使用完全相同的工藝流程將它們連接起來。通過一種新的三步工藝，研究人員將機器人從基板上剝離出來，而且幾乎不會損壞。首先，在機器人頂部濺射一層200 nm厚的鋁層，作為機械支撐。然后，通過二氟化氙氣相刻蝕去除下面的硅。一旦機器人被切開，立即用聚二甲基硅氧烷（PDMS）沖壓將它們撿起來，在機器人頂部旋涂一層光致抗蝕劑粘合劑，然后將抗蝕劑-機器人-鋁層壓印在目標基板上。最后，先后對鋁和光刻膠進行濕法刻蝕，將機器人釋放到溶液中，成品率為90%。十多年來，研究人員對微型機器人在液體環境中的運動機制進行了長期的攻關。通過各種策略，可以實現比本研究中更小，更快的機器人。那么，這項新工作有什么特別之處呢？更高的推進效率：將能源轉化為運動的效率比常規機器高達一百萬倍，而且不需要在特定的化學環境才能發揮作用。更好的兼容性：執行器可與微電子電路集成，這決定了微型機器人不僅可以按需游動，還可以滿足將來更多的應用需求，可使用來自板載傳感器和邏輯電路的輸入來遵循更高級的指令。嶄新的設計概念：他們沒有向靜態粒子添加推進機制，而是使原型機器人小型化，以得到一種具有由電子設備控制的機械腿的步行機。由于執行器的制造技術與制造電路板的技術相同，因此原則上可以同時印刷未來機器臂的“大腦”（邏輯電路）和支腿。并且由于致動器可以由通常流經電子電路的低功率電流操作，因此傳感器和邏輯組件可以與致動器無縫集成。當前，微型機器人的制造技術挑戰主要通過兩種策略來解決。一種是牽線木偶策略，另一種是完全自主策略。原型機具有一些與電源和機器本身分開的計算或決策組件，可實現遠程能源供應和認知功能。本研究就屬于這種策略，因為操作員可以通過激光照射機器人底盤上的光伏塊上來提供指令。牽線木偶策略的主要優勢在于：它無需集成板載電源和計算電路即可對功能組件進行測試，譬如可以通過磁場進行操縱來進行眼科手術。牽線木偶策略的主要缺點在于：必須始終將機器人“束縛”在其能源和信息源上。對于微型機器人的許多實際應用，可能需要這種自主權。通過構建完全不受任何束縛的自主設備，微型機器人自帶儲能技術或從環境中獲取能量，并帶有板上邏輯電路和傳感器，可產生受控輸出，而無需遠程指揮。然而，考慮到能量存儲，計算能力和小規模制造方法的局限性，對于完全自主設備可以實現多少微型化而又不喪失對其進行“智能”功能編程的能力，還有待觀察。自主微型機器人在能源驅動方面已經取得了巨大進步，但是可編程性仍然是一個挑戰。本研究中雖然采用的是牽線木偶的策略，但是為解決自主微型機器人的問題也提供了全新的思路。本研究所提供的微型機器人可以看作是一個可以安裝指揮中心和能源中心的平臺，考慮到帶有傳感器和集成電路的亞毫米大小的芯片研究突飛猛進，因此可以預見，為微型機器人開發自主可編程性的障礙將很快克服。很快，微型執行器與微型電路板和傳感器的無縫集成，將使我們更接近半個多世紀前費曼的預言。1. Marc Z. Miskin et al. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots. Nature 2020, 84, 557–561.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-92. Allan M. Brooks, Michael S. Strano. Nature 2020, 584, 530-531.https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2
