最近，康奈爾大學(xué)的一組研究人員成功地在一個(gè)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的智能微型機(jī)器人身上安裝了“大腦”。

這些微型機(jī)器人的尺寸在100到250微米之間——幾乎是人類一根頭發(fā)的寬度。這種大小的機(jī)器人通常是外部控制的，但康奈爾大學(xué)的原型包括一個(gè)板載電路來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)。

制造無(wú)線行走機(jī)器人

近年來(lái)，康奈爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以爬行、行走、游泳且可以彎曲身體的微型機(jī)器人。但這些微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)都是由外部電線或聚焦激光束控制的。

康奈爾大學(xué)文理學(xué)院的物理學(xué)教授Itai Cohen召集了一組研究人員，尋找去除外部控制后讓微型機(jī)器人能夠自主運(yùn)動(dòng)的方法。過(guò)去如果沒(méi)有wire bond和多芯片堆疊，研究人員很難將微型機(jī)器人擴(kuò)展到微米級(jí)。典型的CMOS電路包括不同功能的wire bond，這會(huì)增加IC的尺寸和重量，使其難以縮小；另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是一體化全功能的機(jī)器人必須實(shí)現(xiàn)CMOS集成電路和微執(zhí)行器的異構(gòu)集成。

康奈爾大學(xué)的研究人員結(jié)合了表面電化學(xué)促動(dòng)器(surfaceelectrochemical actuators, 簡(jiǎn)稱SEAs)和硅光伏(PVs)來(lái)克服這些挑戰(zhàn)。一旦CMOS電路接收到電壓信號(hào)，氧分子就會(huì)附著并膨脹到這一層，使執(zhí)行器彎曲機(jī)器人的腿。

微型機(jī)器人的“大腦”和制造過(guò)程

康奈爾大學(xué)的研究人員稱，微型機(jī)器人的“大腦”是一個(gè)簡(jiǎn)單的CMOS時(shí)鐘電路，實(shí)現(xiàn)一個(gè)包含晶體管、二極管、電阻和電容的陣列。該集成電路產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人的步態(tài)。在測(cè)試階段，微型機(jī)器人可以每秒移動(dòng)4到20微米。

研究小組克服的最后一個(gè)障礙是制造過(guò)程。這一過(guò)程需要13層光刻，12次蝕刻和11次10種不同材料的沉積。利用該大學(xué)的納米科學(xué)技術(shù)設(shè)施(CNF)，研究人員最終完成了一個(gè)8英寸的硅晶圓。有了這種晶圓，微型機(jī)器人的光伏電源和CMOS時(shí)鐘電路就不會(huì)干擾機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)。

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人

微型機(jī)器人有兩對(duì)基于光伏的電源，為腿的運(yùn)動(dòng)和時(shí)鐘電路提供專用電源。CMOS時(shí)鐘電路由一個(gè)弛豫振蕩器組成，作為時(shí)鐘輸出和頻率驅(qū)動(dòng)器。頻率驅(qū)動(dòng)器由一系列D觸發(fā)器組成，可將脈沖轉(zhuǎn)換為50%占空比，使機(jī)器人可以輕松地通過(guò)輸出引腳發(fā)送信號(hào)。

在測(cè)試階段，康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在1到3千瓦/平方米的連續(xù)光強(qiáng)下，微型機(jī)器人的速度達(dá)到12 μm/s。雖然研究人員可以通過(guò)將輸入頻率提高到4Hz來(lái)提高速度，但該團(tuán)隊(duì)還是將工作頻率保持在1到2Hz之間，保證微型機(jī)器人不會(huì)在平面上打滑。

微型機(jī)器人在清潔、監(jiān)測(cè)、手術(shù)方面的潛力

康奈爾大學(xué)的研究人員表示，這些微型機(jī)器人可以用于環(huán)境清理、醫(yī)療物質(zhì)監(jiān)測(cè)和顯微手術(shù)。

研究人員正在致力于整合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這樣微型機(jī)器人就可以獨(dú)立學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境。該團(tuán)隊(duì)希望在未來(lái)的研究中，通過(guò)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)和基于人工智能的算法來(lái)擴(kuò)展微型機(jī)器人家族。

審核編輯 ：李倩