微型機器人時代

安赫爾·希梅內斯·路易斯+劉夢

未來的微型機器人不僅可以上天下地入海，還可以幫助人們治療疾病，建造樓房，治理蟲害，完成一些對人而言較危險的作業……所以，歡迎來到微型機器人時代！

生物學和工程學的完美融合

昆蟲從古生代起就出現在了地球上，距今已經3.5億年，比哺乳動物的出現還要早近2億年。億萬年的漫長進化過程賦予了昆蟲許多神奇的特質，比如可以舉起重于自身千倍的物體，具有超強的團隊協作能力，彼此之間分工明確，在尋找到食物后可以通過氣味或信號快速通知同伴食物的具體位置，這些特質讓我們人類都感到嘆為觀止。

發表在《生物力學》期刊上的一項最新研究顯示，螞蟻的頸部關節可以承受超出自身重量5000倍的壓力，參與這項研究的美國俄亥俄州立大學的機械航天學教授卡洛斯·卡斯特羅表示：“看到有人拍攝了一張螞蟻背著死去小鳥的尸體的照片后，我們就開始研究螞蟻的負重能力，原本預測螞蟻最多能夠承受自身重量1000倍的壓力，但結果竟然是5000多倍，超出了我們所有人的意料。”卡斯特羅和同事將螞蟻麻醉后，將它們的頭部黏在一個光盤大小的離心機上，當離心機施加的力達到螞蟻自身體重的5000倍時，螞蟻的頸部才斷裂。隨后，研究人員又利用微電腦斷層攝影術重建了螞蟻頸部關節的3D模型，發現螞蟻頸部表面擁有碰撞和折疊的微觀結構，這種身體構造能夠幫助螞蟻肩負更大的載重量。不只是螞蟻，其他很多昆蟲也具備這種結構堅硬度和平衡力，而且它們自身體積都很小，所以只需要很少的食物就足夠維持較長時間的活動能力。

正是這些昆蟲給了科學家們設計和改進微型機器人的靈感，由美國斯坦福大學的戴維·克里斯坦森和埃利奧特·霍克斯領導的實驗小組，就以螞蟻為靈感設計出了微型機器人MicroTugs，它自身的重量僅有12克，卻可以拉動重于自身2000多倍的物體，相當于一個人可以拖動一只藍鯨。他們在設計這款微型機器人的時候，效仿了螞蟻和壁虎的身體結構特征，為機器人底部覆蓋了數以千計的橡膠“鞋釘”，再通過芯片下達指令控制這些“鞋釘”彎曲并粘附在接觸的任何物體表面，形成超強的摩擦力，在不需要負重的時候，“鞋釘”就會伸直，這樣機器人就可以輕松地行走了。

機器人正在不斷變小

就像我們以前經常在電視或紀錄片里看到的大型機器人一樣，微型機器人也是機器人家族中的一部分，只不過它們的大小都是以毫米或厘米為單位，就像一只蟲子那么大，但這并不影響它們發揮自己強大的功能。而且，隨著科學技術的發展，機器人的體積還可以變得更小，香港大學化學系就研制出了全球首個“光控納米機器人”，它的大小僅為幾微米（相當于一根頭發絲的五十分之一），能夠通過光感應來進行上下左右的移動。據研究團隊介紹，他們的研究靈感來源于光現象，比如飛蛾撲火和水里游動的綠藻，于是用硅和二氧化鈦這兩種感光性較強并帶有電荷的半導體材料制成了這款機器人，當納米機器人感應到光后，會產生相應的化學反應和電場，從而可以靈活地移動。雖然這種納米機器人還沒有投入到實際運用中去，但研究人員表示，這種機器人未來將為治療疾病提供更有效的方案，比如可以將納米機器人注入人體血管，以非介入治療的方式鎖定病變細胞并向其投遞藥物，這種療法不但不會損傷到人體正常的組織和器官，還可以大大減少病人在傳統治療中受到的痛苦，并且沒有任何的副作用。

就在前不久，2016年的諾貝爾化學獎頒給了弗雷澤·斯圖達特、伯納德·費林加和讓·皮埃爾·索維奇三名科學家，以表彰他們在納米機器的設計和合成方面做出的開創性貢獻。其中，來自荷蘭的科學家費林加設計出了納米汽車，這個小車的輪子是兩組對稱性不同的分子馬達，在注入電子的情況下可以向同一方向轉動，費林加還在馬達中加入了有機小分子催化劑，通過光照分子開關，可以控制催化作用的位置，還可以調節汽車馬達的轉速。據費林加表示，這種技術未來還有望被投入于醫療和機械制造領域。

這些微型甚至是超微型機器人不同于以往的大型機器人，它們憑借著極小的體積和極輕的重量可以在水面上行走，或吸附在墻壁上，完成一些傳統機器人無法做到的事情。美國麻省理工大學聯手英國謝菲爾德大學和日本東京工業大學，共同研發出了一種可食用的膠囊微型機器人，將這個膠囊機器人吞下去，它就可以在人的胃里折疊和伸展，幫助取出胃中誤吞食進去的異物，因為據統計，全世界每年至少有3500名兒童會因誤吞電池或其他異物而需要接受手術，有了這款膠囊微型機器人，患者在不經歷痛苦的情況下就可以順利康復，這也是傳統大型機器人無法做到的。

微型機器人的過去與未來

微型機器人的構想不是憑空而來的，早在1959年，當時的著名物理學家理查德·費曼就大膽預測了納米機器人的出現，他還說道：“也許未來人們只要吞下一個外科醫生，他就能夠抵達心臟，并且查看哪里出了問題，然后拿出小刀，把那些不好的地方切除，這個想法雖然聽起來很瘋狂，但早晚會實現的。”

在科幻作品中也出現過類似的想法，1966年有一部很出名的科幻電影叫作《奇幻旅程》，影片描述冷戰時期的美國和蘇聯都發明了一種先進的技術，該技術可以使人和物體都縮小到原子大小，其中有一個情節是被縮小的女主角和她的科學家小分隊，乘坐著納米潛艇，進入了因腦血管栓賽而垂死的科學家大腦內，通過消融了他血管內栓塞的血塊，最后成功地救了他一命。

這部影片中描繪的很多高科技手段，在幾十年后的今天看來都遙不可及，但其中有一部分技術即將實現。在韓國和瑞士，科學家在實驗室中研制出了可以在動脈血管中游走的微型醫用機器人，體積還不到一毫米，這種機器人在一周時間內能在血管中移動55碼的距離，遇到血管栓塞部分，就能夠釋放藥物，溶解血液凝塊，目前已在活豬身上試驗成功，預計將在2020年被運用于心血管疾病的臨床治療。

不論是從軍事方面還是商業方面，微型機器人未來都大有可為，因為這種機器人體積小，所消耗的能源也少，且制造成本低廉，可以運用3D打印技術進行大批量的生產。而且，微型機器人也和昆蟲一樣，可以進行團隊合作完成一些比較復雜的高難度任務。微型機器人MicroTugs的設計者，美國斯坦福大學的戴維·克里斯坦森表示，幾組MicroTugs彼此之間可以做好分工和配合，完成像是在工廠或建筑工地上運輸原料的任務，或是去一些艱險的地方移動目標對象，比如去倒塌的礦山下或震毀的房屋內營救幸存者等等，二十幾個MicroTugs在一起就能抬起一輛正常的小轎車，而且這種微型機器人的制造成本僅為20美元。這些微型機器人還可以進行自我修復，如果其中一個微型機器人發生了故障，其他的機器人可以為其檢測故障并修理恢復，如果故障發生在執行任務的過程中，會有其他機器人迅速補上故障機器人的位置，繼續完成下達的任務。

當前的局限性

既然微型機器人有如此多的優點，那為什么還沒有大規模地投入使用？那是因為還有一些問題亟待解決，其中最棘手的就是微型機器人的電池續航能力，因為受限于體積，微型機器人中的電池也比較小，無法負荷長時間的工作。不過，一家名為SRI的微型機器人開發公司想出了一個簡單的辦法，他們將機器人放在電路板上移動，讓它們可以邊充電邊執行任務，這樣就可以完成一些快速成型、光電混合電路制造等方面的工作。但是，這也不是一個根本的解決辦法，在微型機器人電池開發領域，還需要大量的資金支持，未來才有可能解決這個問題。

還有就是微型機器人彼此間的溝通問題，近幾年來，世界各國都在研究微型機器人蜂群系統的開發，所謂微型機器人蜂群系統，就是將大量的微型機器人編組、集中使用，正如蜂群的威力要遠大于幾只蜜蜂，這種系統具有很明顯的優勢，但是如何讓這些微型機器人進行良好的溝通，從而可以完美配合完成任務，這是各國都在積極解決的問題。就像近年出現的無人駕駛汽車一樣，如果未來要大面積投入使用，那些上了路的車與車之間的系統交流和溝通就是個大問題，因為這關系到了行車安全和效率。

不過，相信隨著科技的發展，未來的微型機器人會變得更智能、更高效，能完成一些更復雜的任務，也會為我們的生活帶來更多的便利。

7種神奇的微型機器人

1.蜜蜂仿生機器人

美國哈佛大學魏斯仿生工程研究所模仿蜜蜂制造了一款會飛的機器昆蟲（Robo Bee），還不到一枚硬幣那么大，體重不到0.1克，甚至比一只真的蜜蜂還要輕，它的背部有一對翅膀，可以通過電腦控制在空中飛行，也能夠通過靜電附著到任何表面上。

不過，目前Robo Bee還不能獨自飛行，由于目前還沒有找到合適的板載電源，它需要一根電線連接來提供電量。RoboBee的研發時間長達十多年，研發團隊在新聞發布會上表示：“RoboBee是我們過去12年工作的心血成果，我們在實驗室里不斷嘗試不同的材料和設計并最終取得突破，才設計出了這樣一款微型機器人，但要讓它具備與真正的蜜蜂相同的功能，至少還需要再努力20年。”

2.水黽蟲仿生機器人

韓國首爾大學和美國哈佛大學魏斯仿生工程研究所，根據觀察研究水黽蟲的身體結構，設計出了一款水黽蟲仿生機器人（Water Strider），它的重量僅有68毫克，身長不到2公分，它的腿則模仿真正的水黽蟲，腿部末端的“腳趾”處呈彎曲狀，并涂上了一層防水的超疏水納米材質，它可以漂浮在水面上，也會飛，每秒的飛行距離可達1.6米。

它的出現對于無人機用戶來說是一種福音，因為昂貴的無人機一旦墜入水中就會徹底損毀，將它附于無人機之上，就可以讓無人機無論發生什么事故，都可以在水面上優雅地著落。不過這款水黽蟲仿生機器人目前還不成熟，它無法在水面連續跳躍，落地時也無法保持平衡，但其相對簡單的構造，讓它有機會以低廉的價格大量生產。

3.毫米級微型機器人

德國卡爾斯魯厄理工學院的一個研究小組，正在研制一種只有螞蟻大小的毫米級微型機器人（I-Swarm），它的背上安裝有太陽能電池系統為其提供能源，還有一個通信單元和一個GPS單元，它的身上還裝了一個傳感器，用于探測周邊物體或協同作業的其他機器人，以免相撞。

I-Swarm無需額外控制器，并且具有超強的自治能力、環境自我調節能力、集群能力和協同能力，研究人員希望I-Swarm成為一個真正“自治”的毫米級微型機器人，以代替人處理危險事件或去到人類到不了的地方，他們希望I-Swarm未來可以用來探索火星，去太空中尋找適宜人類居住的地方。目前I-Swarm項目已經得到了來自瑞典、英國、匈牙利、希臘、西班牙、意大利、瑞士等大學研究機構的支持和幫助。

4.集群機器人

美國哈佛大學生物工程研究所的研究人員們發明出了一種名叫Kilobot的微型機器人，大小和一枚硬幣差不多，僅有3.3厘米寬，3.4厘米高，每個機器人都裝有一個小型微處理器，一個紅外傳感器和一個通過震動來完成移動的馬達。

這種微型機器人的靈感來源于螞蟻、蜜蜂一類的生物群系統，這些生物在沒有統一領導的情況下，也能合作執行大量復雜的任務。在演示的過程中，這些Kilobot就像小螞蟻一樣，能夠在簡單命令下自動排列出五角星、字母以及各種圖案，研究人員稱：“他們可以自行變換形狀來適應當前的任務，它們甚至可以構建出其他機器人。在將來，Kilobot可以在幫助清理泄漏石油、深海冒險以及行星探索領域發揮出巨大的作用。

5.毛毛蟲仿生機器人

波蘭華沙大學的物理學家們以毛毛蟲為靈感創造出了Cater Pillar微型機器人，它乍看上去就是一條薄薄的透明膠帶，長度僅有15毫米，其實它是由光敏感高彈性塑料制成的，這同時也是它能蠕動的秘訣，這個微型機器人暴露在光下就能進行伸縮，從而推動身體前進。通過控制光照條件的變化，研究人員能讓機器人執行不同的操作，它可以爬上斜坡，穿越細小的狹縫，還能攜帶10倍于自身重量的物體行動。

華沙大學光子納米結構所所長稱：“制造這種柔軟的機器人難度比一般機器人更高，因為柔軟的機器人需要研究者在力學、供能和控制方面設計一個全新的框架，我們才剛剛開始從自然演化進程中取之所長。”

6.蟑螂仿生機器人

俄羅斯波羅的海聯邦大學的科學家們歷經7個月，花費150萬盧布（約15萬元人民幣）研制出了一款名叫Roach的“蟑螂特務”，這款機器人完全模仿了蟑螂的外形、習性和內部構造，根據蟑螂運動的動力學原理，使用回形針、彈簧、鋰電池等數百個微型零件完成了這款機器人的初始模型研制工作。它體長8厘米，可以30厘米/秒的速度爬行20分鐘。

科學家表示，通過一部普通的智能手機就可輕松控制這款機器人的移動，可以安裝微型攝像機或監聽器，從而幫助軍方完成監視和偵查任務，由于體型小，它還可以協助完成拍攝、搜救和地下勘探工作等等。

7.微型大力士機器人

來自美國斯坦福大學的戴維·克里斯坦森和埃利奧特·霍克斯團隊研發出了一款名為MicroTug的微型機器人，它的重量僅有12克，卻可以拖動超過其重量2000倍的物體，相當于一個人能拖動一頭藍鯨。

戴維·克里斯坦森表示：“我們在設計MicroTug時參考了壁虎的腳部特征，它在移動物體前，會使用附有黏著性的輪狀前腳先穩固地附著在物體表面上，增加摩擦力，再緩緩地移動輪子以拖拉物體，并持續反復運作。”這種微型機器人可以用來組織成一支小型軍隊，就像螞蟻的工作團隊一樣，協同進行各項搬運工作，集合一群MicroTug后可搬運的物品重量是驚人的。埃利奧特·霍克斯表示，未來如果配備上二氧化碳感應器，MicroTug甚至可以進入火災現場尋找生存者，幫助移動嗆傷昏迷的民眾，或是搬運繩梯給高樓層的居民。

[譯自西班牙《真有趣》]