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、康奈爾大學王偉博士（現(xiàn)任西湖大學助理教授）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，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]。
康奈爾大學米拉德塔哈維（Milad Taghavi）博士擔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�！蓖鮽フf。
圖丨 Lab on a Chip 當期封面論文（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)流體（DeepTech 此前報道：中國科學家構(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。
圖丨掃描電子顯微鏡圖像和鉸鏈纖毛的泵浦機制（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)學領(lǐng)域，例如替換或修復受損的自然纖毛，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)動的鉸鏈式人工纖毛實現(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，并被選為當期封面 [2]。
王偉博士是第一作者兼通訊作者，康奈爾大學伊泰科恩（Itai Cohen）教授擔任共同通訊作者。
圖丨相關(guān)論文（來源：Lab on a Chip）
目前，王偉已入職西湖大學成立獨立課題組，并擔任助理教授，博士生導師，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方面的應(yīng)用，尤其是與生物醫(yī)學相關(guān)的場景。
“目前，我正在和西湖大學的老師們進行跨學科合作，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�！蓖鮽フf。
參考資料：
1.Milad Taghavi, Wei Wang et al. Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling. Science Robotics 9, 96(2024). DOI: 10.1126/scirobotics.adn80
2.Wei Wang et al. Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping. Lab on a Chip 24, 4549(2024). DOI: 10.1039/d4lc00513a
3.https://www.westlake.edu.cn/faculty/wei-wang.html
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