微納機器人因其微小的尺寸（通常在 100 微米甚至更小）而備受關(guān)注。基于這種尺寸優(yōu)勢，利用半導(dǎo)體工藝能夠在一個較大的硅片上制造出上百萬個微納機器人，從而極大地降低了單個器件的成本。

然而不可忽視的是，微小的尺寸也帶來了功能上的限制，由于面積有限，難以在單個機器人上集成多個功能模塊。因此，如何控制大規(guī)模微納機器人集群成為亟待突破的瓶頸之一。

美國康奈爾大學(xué)團隊聚焦于這一問題，通過在微納機器人之間建立信號傳遞機制，使每個機器人能夠感知周圍機器人的信息并進行信息交互，從而實現(xiàn)了協(xié)同工作。

具體而言，每個機器人都配備了一個與其運動同步的時鐘信號。當(dāng)其時鐘信號震蕩時，它會向周圍的機器人傳輸信號。周圍的機器人感知到信號后，會調(diào)整自身的時鐘信號，以與發(fā)送信號的機器人保持一致。最終，通過這種協(xié)調(diào)彼此運動步調(diào)方的式實現(xiàn)集體時鐘信號同步。

在電控微納機器人領(lǐng)域，此前的研究大多數(shù)集中在單個機器人的簡單運動控制上。

該論文共同第一作者、康奈爾大學(xué)王偉博士（現(xiàn)任西湖大學(xué)助理教授）表示，該研究首次證明了通過信息傳遞，電控微納機器人能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的集群協(xié)同運動，并展示了其強大的魯棒性。

圖丨王偉（來源：王偉）

該技術(shù)不僅為電控微納機器人領(lǐng)域提供了新的思路和方法，也為未來大規(guī)模微納機器人集群的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

該研究中的精準(zhǔn)的控制能力，可應(yīng)用于那些將多個小型機器人模塊組合成一個大型機器人（類似自然界的千足蟲）。大型機器人在拆分后，每個小型機器人仍能獨立工作，類似于蚯蚓被切成數(shù)段后仍能獨立存活。

更長遠地來看，該研究為機器人集群的協(xié)同工作奠定了基礎(chǔ)。例如，未來如果能夠?qū)崿F(xiàn)無線信號傳輸，機器人之間將不再需要物理連接線，而是通過小型發(fā)光二極管（LED，Light-Emitting Diode）等設(shè)備進行信號傳遞和協(xié)同。

圖丨微尺度機器人的可擴展同步（來源：Science Robotics）

此外，研究人員正在嘗試在機器人上集成多種實用功能，例如加入可編程電路，并集成溫度傳感器，應(yīng)用于檢測和精準(zhǔn)定位人體中的腫瘤細胞。

王偉表示：“我們將探索讓大量微納機器人同步處理多個目標(biāo)，比如腫瘤細胞的可能性。通過高效的信號傳輸，它們有望更有效地完成任務(wù)。”

日前，相關(guān)論文以《通過局部電子脈沖耦合實現(xiàn)自主微型機器的協(xié)調(diào)行為》（Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling）為題發(fā)表在Science Robotics[1]。

康奈爾大學(xué)米拉德·塔哈維（Milad Taghavi）博士擔(dān)任共同一作兼通訊作者，王偉博士是共同一作。

圖丨相關(guān)論文（來源：Science Robotics）

在另一項工作中，該課題組對微型人造纖毛的流體驅(qū)動進行了深入探索。王偉設(shè)計了一種微納機器人腿部機械結(jié)構(gòu)，使其能夠通過兩個獨立的信號進行控制。通過改變這兩個信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)腿部驅(qū)動方向的調(diào)整。

“我們利用電壓信號控制纖毛運動來產(chǎn)生流場，通過改變電壓信號從而隨時調(diào)控流體的運動方向。”王偉說。

圖丨 Lab on a Chip 當(dāng)期封面論文（來源：Lab on a Chip）

在該團隊此前的工作中，盡管在人造纖毛能夠驅(qū)動流體（DeepTech 此前報道：中國科學(xué)家構(gòu)建微米級人造纖毛超表面，首次將納米驅(qū)動器與電路集成于 300 微米芯片，實現(xiàn)陽光驅(qū)動可編程微流控），但無法控制單個纖毛產(chǎn)生流體的運動方向。

在這次的研究中，研究人員進一步改進了纖毛結(jié)構(gòu)的流體驅(qū)動能力。通過引入新的自由度，機器人的腿部結(jié)構(gòu)能夠更有效地控制流體的方向，最簡單的情況是可以控制流體向前、向后或停止流動。

王偉指出，這種設(shè)計的優(yōu)勢在于可以將多個腿部結(jié)構(gòu)組成陣列，并且每個腿部都可以獨立控制其流體方向。在高集成度的情況下，這種能力為未來將其與集成電路結(jié)合，來實現(xiàn)更復(fù)雜的功能提供了巨大的潛力。

此外，該技術(shù)還可以將微納機器人集成到傳統(tǒng)微流控芯片中，在幾十微米的小區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)多樣化的流體流動模式，從而調(diào)控局部的化學(xué)環(huán)境。研究人員還探索了微納機器人在溫度調(diào)控方面的應(yīng)用，通過結(jié)合傳感器和控制機制，機器人可以在局部區(qū)域感知溫度變化并且做出響應(yīng)，為未來的應(yīng)用提供了更多可能性。

（來源：Lab on a Chip）

從應(yīng)用方向來看，該研究中的微納機器人在尺度和功能與自然界纖毛的驅(qū)動流體功能相似。因此，微納機器人不僅可以與現(xiàn)有的微流控技術(shù)結(jié)合，還可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

其未來的潛在應(yīng)用方向之一是將人造纖毛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如替換或修復(fù)受損的自然纖毛，從而在人體或動物體內(nèi)實現(xiàn)類似的功能。這種生物應(yīng)用不僅拓展了微納機器人的使用場景，還可能實現(xiàn)一些目前難以實現(xiàn)的功能。

日前，相關(guān)論文以《基于電子驅(qū)動的鉸鏈?zhǔn)饺斯だw毛實現(xiàn)高效雙向泵送》（Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping）為題發(fā)表在Lab on a Chip，并被選為當(dāng)期封面 [2]。

王偉博士是第一作者兼通訊作者，康奈爾大學(xué)伊泰·科恩（Itai Cohen）教授擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Lab on a Chip）

目前，王偉已入職西湖大學(xué)成立獨立課題組，并擔(dān)任助理教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為智能微納機器人。

他計劃在前期工作基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索各種微型致動器的性能優(yōu)化，以開發(fā)出性能更加以及有更多應(yīng)用環(huán)境的致動器。另一方面，他還將重點關(guān)注微納機器人在機械和力學(xué)方面的應(yīng)用，尤其是與生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的場景。

“目前，我正在和西湖大學(xué)的老師們進行跨學(xué)科合作，通過將集成電路與微型致動器相結(jié)合，希望設(shè)計出具備更多功能的微型機器人，實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用場景。”王偉說。

參考資料：

1.Milad Taghavi, Wei Wang et al. Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling.Science Robotics9, 96(2024). DOI: 10.1126/scirobotics.adn80

2.Wei Wang et al. Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping.Lab on a Chip24, 4549(2024). DOI: 10.1039/d4lc00513a

3.https://www.westlake.edu.cn/faculty/wei-wang.html

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