安赫爾·希梅內(nèi)斯·路易斯+劉夢(mèng)

未來(lái)的微型機(jī)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(duì)人而言較危險(xiǎn)的作業(yè)……所以，歡迎來(lái)到微型機(jī)器人時(shí)代！

生物學(xué)和工程學(xué)的完美融合

昆蟲從古生代起就出現(xiàn)在了地球上，距今已經(jīng)3.5億年，比哺乳動(dòng)物的出現(xiàn)還要早近2億年。億萬(wàn)年的漫長(zhǎng)進(jìn)化過(guò)程賦予了昆蟲許多神奇的特質(zhì)，比如可以舉起重于自身千倍的物體，具有超強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，彼此之間分工明確，在尋找到食物后可以通過(guò)氣味或信號(hào)快速通知同伴食物的具體位置，這些特質(zhì)讓我們?nèi)祟惗几械絿@為觀止。

發(fā)表在《生物力學(xué)》期刊上的一項(xiàng)最新研究顯示，螞蟻的頸部關(guān)節(jié)可以承受超出自身重量5000倍的壓力，參與這項(xiàng)研究的美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的機(jī)械航天學(xué)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(fù)重能力，原本預(yù)測(cè)螞蟻?zhàn)疃嗄軌虺惺茏陨碇亓?000倍的壓力，但結(jié)果竟然是5000多倍，超出了我們所有人的意料?！笨ㄋ固亓_和同事將螞蟻麻醉后，將它們的頭部黏在一個(gè)光盤大小的離心機(jī)上，當(dāng)離心機(jī)施加的力達(dá)到螞蟻?zhàn)陨眢w重的5000倍時(shí)，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(shù)重建了螞蟻頸部關(guān)節(jié)的3D模型，發(fā)現(xiàn)螞蟻頸部表面擁有碰撞和折疊的微觀結(jié)構(gòu)，這種身體構(gòu)造能夠幫助螞蟻肩負(fù)更大的載重量。不只是螞蟻，其他很多昆蟲也具備這種結(jié)構(gòu)堅(jiān)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(zhǎng)時(shí)間的活動(dòng)能力。

正是這些昆蟲給了科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)和改進(jìn)微型機(jī)器人的靈感，由美國(guó)斯坦福大學(xué)的戴維·克里斯坦森和埃利奧特·霍克斯領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組，就以螞蟻為靈感設(shè)計(jì)出了微型機(jī)器人MicroTugs，它自身的重量?jī)H有12克，卻可以拉動(dòng)重于自身2000多倍的物體，相當(dāng)于一個(gè)人可以拖動(dòng)一只藍(lán)鯨。他們?cè)谠O(shè)計(jì)這款微型機(jī)器人的時(shí)候，效仿了螞蟻和壁虎的身體結(jié)構(gòu)特征，為機(jī)器人底部覆蓋了數(shù)以千計(jì)的橡膠“鞋釘”，再通過(guò)芯片下達(dá)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(qiáng)的摩擦力，在不需要負(fù)重的時(shí)候，“鞋釘”就會(huì)伸直，這樣機(jī)器人就可以輕松地行走了。

機(jī)器人正在不斷變小

就像我們以前經(jīng)常在電視或紀(jì)錄片里看到的大型機(jī)器人一樣，微型機(jī)器人也是機(jī)器人家族中的一部分，只不過(guò)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(fā)揮自己強(qiáng)大的功能。而且，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的體積還可以變得更小，香港大學(xué)化學(xué)系就研制出了全球首個(gè)“光控納米機(jī)器人”，它的大小僅為幾微米（相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的五十分之一），能夠通過(guò)光感應(yīng)來(lái)進(jìn)行上下左右的移動(dòng)。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，他們的研究靈感來(lái)源于光現(xiàn)象，比如飛蛾撲火和水里游動(dòng)的綠藻，于是用硅和二氧化鈦這兩種感光性較強(qiáng)并帶有電荷的半導(dǎo)體材料制成了這款機(jī)器人，當(dāng)納米機(jī)器人感應(yīng)到光后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)和電場(chǎng)，從而可以靈活地移動(dòng)。雖然這種納米機(jī)器人還沒(méi)有投入到實(shí)際運(yùn)用中去，但研究人員表示，這種機(jī)器人未來(lái)將為治療疾病提供更有效的方案，比如可以將納米機(jī)器人注入人體血管，以非介入治療的方式鎖定病變細(xì)胞并向其投遞藥物，這種療法不但不會(huì)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(tǒng)治療中受到的痛苦，并且沒(méi)有任何的副作用。

就在前不久，2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了弗雷澤·斯圖達(dá)特、伯納德·費(fèi)林加和讓·皮埃爾·索維奇三名科學(xué)家，以表彰他們?cè)诩{米機(jī)器的設(shè)計(jì)和合成方面做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。其中，來(lái)自荷蘭的科學(xué)家費(fèi)林加設(shè)計(jì)出了納米汽車，這個(gè)小車的輪子是兩組對(duì)稱性不同的分子馬達(dá)，在注入電子的情況下可以向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，費(fèi)林加還在馬達(dá)中加入了有機(jī)小分子催化劑，通過(guò)光照分子開關(guān)，可以控制催化作用的位置，還可以調(diào)節(jié)汽車馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。據(jù)費(fèi)林加表示，這種技術(shù)未來(lái)還有望被投入于醫(yī)療和機(jī)械制造領(lǐng)域。

這些微型甚至是超微型機(jī)器人不同于以往的大型機(jī)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(tǒng)機(jī)器人無(wú)法做到的事情。美國(guó)麻省理工大學(xué)聯(lián)手英國(guó)謝菲爾德大學(xué)和日本東京工業(yè)大學(xué)，共同研發(fā)出了一種可食用的膠囊微型機(jī)器人，將這個(gè)膠囊機(jī)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(jìn)去的異物，因?yàn)閾?jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年至少有3500名兒童會(huì)因誤吞電池或其他異物而需要接受手術(shù)，有了這款膠囊微型機(jī)器人，患者在不經(jīng)歷痛苦的情況下就可以順利康復(fù)，這也是傳統(tǒng)大型機(jī)器人無(wú)法做到的。

微型機(jī)器人的過(guò)去與未來(lái)

微型機(jī)器人的構(gòu)想不是憑空而來(lái)的，早在1959年，當(dāng)時(shí)的著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼就大膽預(yù)測(cè)了納米機(jī)器人的出現(xiàn)，他還說(shuō)道：“也許未來(lái)人們只要吞下一個(gè)外科醫(yī)生，他就能夠抵達(dá)心臟，并且查看哪里出了問(wèn)題，然后拿出小刀，把那些不好的地方切除，這個(gè)想法雖然聽起來(lái)很瘋狂，但早晚會(huì)實(shí)現(xiàn)的。”

在科幻作品中也出現(xiàn)過(guò)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(zhàn)時(shí)期的美國(guó)和蘇聯(lián)都發(fā)明了一種先進(jìn)的技術(shù)，該技術(shù)可以使人和物體都縮小到原子大小，其中有一個(gè)情節(jié)是被縮小的女主角和她的科學(xué)家小分隊(duì)，乘坐著納米潛艇，進(jìn)入了因腦血管栓賽而垂死的科學(xué)家大腦內(nèi)，通過(guò)消融了他血管內(nèi)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(lái)都遙不可及，但其中有一部分技術(shù)即將實(shí)現(xiàn)。在韓國(guó)和瑞士，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中研制出了可以在動(dòng)脈血管中游走的微型醫(yī)用機(jī)器人，體積還不到一毫米，這種機(jī)器人在一周時(shí)間內(nèi)能在血管中移動(dòng)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(yàn)成功，預(yù)計(jì)將在2020年被運(yùn)用于心血管疾病的臨床治療。

不論是從軍事方面還是商業(yè)方面，微型機(jī)器人未來(lái)都大有可為，因?yàn)檫@種機(jī)器人體積小，所消耗的能源也少，且制造成本低廉，可以運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。而且，微型機(jī)器人也和昆蟲一樣，可以進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作完成一些比較復(fù)雜的高難度任務(wù)。微型機(jī)器人MicroTugs的設(shè)計(jì)者，美國(guó)斯坦福大學(xué)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(yùn)輸原料的任務(wù)，或是去一些艱險(xiǎn)的地方移動(dòng)目標(biāo)對(duì)象，比如去倒塌的礦山下或震毀的房屋內(nèi)營(yíng)救幸存者等等，二十幾個(gè)MicroTugs在一起就能抬起一輛正常的小轎車，而且這種微型機(jī)器人的制造成本僅為20美元。這些微型機(jī)器人還可以進(jìn)行自我修復(fù)，如果其中一個(gè)微型機(jī)器人發(fā)生了故障，其他的機(jī)器人可以為其檢測(cè)故障并修理恢復(fù)，如果故障發(fā)生在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，會(huì)有其他機(jī)器人迅速補(bǔ)上故障機(jī)器人的位置，繼續(xù)完成下達(dá)的任務(wù)。

當(dāng)前的局限性

既然微型機(jī)器人有如此多的優(yōu)點(diǎn)，那為什么還沒(méi)有大規(guī)模地投入使用？那是因?yàn)檫€有一些問(wèn)題亟待解決，其中最棘手的就是微型機(jī)器人的電池續(xù)航能力，因?yàn)槭芟抻隗w積，微型機(jī)器人中的電池也比較小，無(wú)法負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間的工作。不過(guò)，一家名為SRI的微型機(jī)器人開發(fā)公司想出了一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法，他們將機(jī)器人放在電路板上移動(dòng)，讓它們可以邊充電邊執(zhí)行任務(wù)，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(gè)根本的解決辦法，在微型機(jī)器人電池開發(fā)領(lǐng)域，還需要大量的資金支持，未來(lái)才有可能解決這個(gè)問(wèn)題。

還有就是微型機(jī)器人彼此間的溝通問(wèn)題，近幾年來(lái)，世界各國(guó)都在研究微型機(jī)器人蜂群系統(tǒng)的開發(fā)，所謂微型機(jī)器人蜂群系統(tǒng)，就是將大量的微型機(jī)器人編組、集中使用，正如蜂群的威力要遠(yuǎn)大于幾只蜜蜂，這種系統(tǒng)具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，但是如何讓這些微型機(jī)器人進(jìn)行良好的溝通，從而可以完美配合完成任務(wù)，這是各國(guó)都在積極解決的問(wèn)題。就像近年出現(xiàn)的無(wú)人駕駛汽車一樣，如果未來(lái)要大面積投入使用，那些上了路的車與車之間的系統(tǒng)交流和溝通就是個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)檫@關(guān)系到了行車安全和效率。

不過(guò)，相信隨著科技的發(fā)展，未來(lái)的微型機(jī)器人會(huì)變得更智能、更高效，能完成一些更復(fù)雜的任務(wù)，也會(huì)為我們的生活帶來(lái)更多的便利。

7種神奇的微型機(jī)器人

1.蜜蜂仿生機(jī)器人

美國(guó)哈佛大學(xué)魏斯仿生工程研究所模仿蜜蜂制造了一款會(huì)飛的機(jī)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(duì)翅膀，可以通過(guò)電腦控制在空中飛行，也能夠通過(guò)靜電附著到任何表面上。

不過(guò)，目前Robo Bee還不能獨(dú)自飛行，由于目前還沒(méi)有找到合適的板載電源，它需要一根電線連接來(lái)提供電量。RoboBee的研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十多年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在新聞發(fā)布會(huì)上表示：“RoboBee是我們過(guò)去12年工作的心血成果，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里不斷嘗試不同的材料和設(shè)計(jì)并最終取得突破，才設(shè)計(jì)出了這樣一款微型機(jī)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?！?/p>

2.水黽蟲仿生機(jī)器人

韓國(guó)首爾大學(xué)和美國(guó)哈佛大學(xué)魏斯仿生工程研究所，根據(jù)觀察研究水黽蟲的身體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了一款水黽蟲仿生機(jī)器人（Water Strider），它的重量?jī)H有68毫克，身長(zhǎng)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(zhì)，它可以漂浮在水面上，也會(huì)飛，每秒的飛行距離可達(dá)1.6米。

它的出現(xiàn)對(duì)于無(wú)人機(jī)用戶來(lái)說(shuō)是一種福音，因?yàn)榘嘿F的無(wú)人機(jī)一旦墜入水中就會(huì)徹底損毀，將它附于無(wú)人機(jī)之上，就可以讓無(wú)人機(jī)無(wú)論發(fā)生什么事故，都可以在水面上優(yōu)雅地著落。不過(guò)這款水黽蟲仿生機(jī)器人目前還不成熟，它無(wú)法在水面連續(xù)跳躍，落地時(shí)也無(wú)法保持平衡，但其相對(duì)簡(jiǎn)單的構(gòu)造，讓它有機(jī)會(huì)以低廉的價(jià)格大量生產(chǎn)。

3.毫米級(jí)微型機(jī)器人

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

I-Swarm無(wú)需額外控制器，并且具有超強(qiáng)的自治能力、環(huán)境自我調(diào)節(jié)能力、集群能力和協(xié)同能力，研究人員希望I-Swarm成為一個(gè)真正“自治”的毫米級(jí)微型機(jī)器人，以代替人處理危險(xiǎn)事件或去到人類到不了的地方，他們希望I-Swarm未來(lái)可以用來(lái)探索火星，去太空中尋找適宜人類居住的地方。目前I-Swarm項(xiàng)目已經(jīng)得到了來(lái)自瑞典、英國(guó)、匈牙利、希臘、西班牙、意大利、瑞士等大學(xué)研究機(jī)構(gòu)的支持和幫助。

4.集群機(jī)器人

美國(guó)哈佛大學(xué)生物工程研究所的研究人員們發(fā)明出了一種名叫Kilobot的微型機(jī)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(gè)機(jī)器人都裝有一個(gè)小型微處理器，一個(gè)紅外傳感器和一個(gè)通過(guò)震動(dòng)來(lái)完成移動(dòng)的馬達(dá)。

這種微型機(jī)器人的靈感來(lái)源于螞蟻、蜜蜂一類的生物群系統(tǒng)，這些生物在沒(méi)有統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)的情況下，也能合作執(zhí)行大量復(fù)雜的任務(wù)。在演示的過(guò)程中，這些Kilobot就像小螞蟻一樣，能夠在簡(jiǎn)單命令下自動(dòng)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(lái)適應(yīng)當(dāng)前的任務(wù)，它們甚至可以構(gòu)建出其他機(jī)器人。在將來(lái)，Kilobot可以在幫助清理泄漏石油、深海冒險(xiǎn)以及行星探索領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用。

5.毛毛蟲仿生機(jī)器人

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

華沙大學(xué)光子納米結(jié)構(gòu)所所長(zhǎng)稱：“制造這種柔軟的機(jī)器人難度比一般機(jī)器人更高，因?yàn)槿彳浀臋C(jī)器人需要研究者在力學(xué)、供能和控制方面設(shè)計(jì)一個(gè)全新的框架，我們才剛剛開始從自然演化進(jìn)程中取之所長(zhǎng)?！?/p>

6.蟑螂仿生機(jī)器人

俄羅斯波羅的海聯(lián)邦大學(xué)的科學(xué)家們歷經(jīng)7個(gè)月，花費(fèi)150萬(wàn)盧布（約15萬(wàn)元人民幣）研制出了一款名叫Roach的“蟑螂特務(wù)”，這款機(jī)器人完全模仿了蟑螂的外形、習(xí)性和內(nèi)部構(gòu)造，根據(jù)蟑螂運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)原理，使用回形針、彈簧、鋰電池等數(shù)百個(gè)微型零件完成了這款機(jī)器人的初始模型研制工作。它體長(zhǎng)8厘米，可以30厘米/秒的速度爬行20分鐘。

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

7.微型大力士機(jī)器人

來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的戴維·克里斯坦森和埃利奧特·霍克斯團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一款名為MicroTug的微型機(jī)器人，它的重量?jī)H有12克，卻可以拖動(dòng)超過(guò)其重量2000倍的物體，相當(dāng)于一個(gè)人能拖動(dòng)一頭藍(lán)鯨。

戴維·克里斯坦森表示：“我們?cè)谠O(shè)計(jì)MicroTug時(shí)參考了壁虎的腳部特征，它在移動(dòng)物體前，會(huì)使用附有黏著性的輪狀前腳先穩(wěn)固地附著在物體表面上，增加摩擦力，再緩緩地移動(dòng)輪子以拖拉物體，并持續(xù)反復(fù)運(yùn)作?！边@種微型機(jī)器人可以用來(lái)組織成一支小型軍隊(duì)，就像螞蟻的工作團(tuán)隊(duì)一樣，協(xié)同進(jìn)行各項(xiàng)搬運(yùn)工作，集合一群MicroTug后可搬運(yùn)的物品重量是驚人的。埃利奧特·霍克斯表示，未來(lái)如果配備上二氧化碳感應(yīng)器，MicroTug甚至可以進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)尋找生存者，幫助移動(dòng)嗆傷昏迷的民眾，或是搬運(yùn)繩梯給高樓層的居民。

[譯自西班牙《真有趣》]