1959年，前康奈尔大学物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)发表了他著名的演讲《底部有很多空间》(There ‘s Plenty of Room at the Bottom)，在演讲中，他描述了将技术从机器到计算机芯片缩小到难以置信的小尺寸的机会。底部变得更拥挤了。
康奈尔领导的一项合作创造了第一个含有半导体元件的微型机器人，使它们能够通过标准的电子信号控制并行走。
这些机器人大约有5微米厚，40微米宽，40到70微米长，和草履虫等微生物差不多大。
这些与草履虫差不多大小的机器人为制造更复杂的机器人提供了模板，这些机器人利用基于硅的智能，可以大规模生产，也许有一天会在人体组织和血液中穿梭。
这项合作由物理学教授伊泰·科恩、艺术与科学学院约翰·纽曼物理科学教授保罗·麦克尤恩以及他们的前博士后研究员马克·米斯金领导，米斯金现在是宾夕法尼亚大学的助理教授。
该团队的论文《电子集成、大规模制造的微型机器人》于8月26日发表在《自然》杂志上。
从微观传感器到石墨烯折纸机，这些行走机器人是科恩和麦克尤恩之前的纳米级发明的最新迭代，在许多方面都是一次进化。
这种新型机器人大约有5微米厚(1微米是一米的百万分之一)，40微米宽，40到70微米长。每个机器人都由一个由硅光伏制成的简单电路和四个电化学致动器组成，它们的功能是躯干和大脑，以及腿。
尽管这些微型机器看起来很简单，但制造出这些腿是一项巨大的壮举。
“机器人的大脑中,有一个感觉,我们只是把现有的半导体技术和使它小而可发布的,”麦克尤恩表示联席主席的纳米科学和微系统工程(下一个纳米)工作组,教务长的激进合作倡议的一部分,并指导Kavli康奈尔纳米科学研究所。
McEuen说:“但是这些腿以前并不存在。”“当时没有你可以使用的小型电动执行器。所以我们必须发明这些，然后把它们和电子产品结合起来。”
利用原子层沉积和光刻技术，该团队用只有几十个原子厚的铂条，在一侧覆盖一层薄的惰性钛，构建了支架。当对铂施加正电荷时，负电荷离子从周围的溶液吸附到暴露的表面上，以中和电荷。这些离子使暴露的铂膨胀，使条带弯曲。超薄的条带使材料可以急剧弯曲而不折断。为了帮助控制三维肢体的运动，研究人员在条带的顶部制作了刚性聚合物面板。面板之间的间隙就像膝盖或脚踝，允许腿以可控的方式弯曲，从而产生运动。
研究人员通过在不同的光伏上闪烁激光脉冲来控制机器人，每一个脉冲都给一组独立的腿充电。通过在光电板前后切换激光，机器人就可以行走了。
科恩说:“虽然这些机器人在功能上还很原始——它们速度不是很快，也没有太多的计算能力——但我们为使它们与标准微芯片制造兼容而进行的创新，为这些微型机器人的智能、快速和大规模生产打开了大门。”“这真的是第一次，嘿，我们可以在一个微型机器人上进行电子集成。”
这些机器人当然是高科技的，但它们在低电压(200毫伏)和低功率(10纳瓦特)下工作，而且就它们的体型而言，它们仍然很结实。因为它们是用标准的光刻工艺制造的，所以它们可以并行制造:大约100万个机器人安装在一个4英寸的硅片上。
汤的研究人员正在探索方法的机器人更复杂的电子设备和机载计算——改进,一天可能导致成群的微型机器人爬行,通过和重组材料或缝合血管,或被派遣大批探测人类大脑的大片。
“控制一个微型机器人可能是你尽可能缩小自己。我认为，像这样的机器将带我们进入各种各样的神奇世界，它们太小而看不见，”该研究的首席作者米斯金说。
合著者包括塞缪尔·b·埃克特(Samuel B. Eckert)工程学教授大卫·穆勒(David Muller);19岁的亚历杭德罗·科蒂斯博士，康奈尔大学总统博士后研究员;博士后研究员刘庆坤;博士生Michael Cao 14, Kyle Dorsey和Michael Reynolds;以及爱德华·埃斯波西托(Edward Esposito)，科恩实验室的前大学职员和技术人员。
“这项研究的突破提供了令人兴奋的科学调查的机会新问题相关的物理活性物,最终可能导致未来机器人的材料,”山姆·斯坦顿说,陆军研究办公室项目经理,一个元素的战斗能力发展命令陆军研究实验室,支持这项研究。
空军科学研究办公室、康奈尔材料研究中心(由美国国家科学基金会材料研究科学和工程中心项目支持)和康奈尔纳米科学卡维里研究所提供了额外的支持。这项工作是在康奈尔大学的纳米科学技术设施进行的。
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