來源：【科學網】
一個比跳蚤還小的“螃蟹”機器人站在硬幣的側邊上。 受訪者供圖
史上最小的遙控步行機器人來了，它們只有半毫米寬，體積還不及一個跳蚤，可以行走、彎曲、扭曲、拐彎和跳躍。
這些小可愛們能在狹窄空間內執(zhí)行重要任務。比如在微創(chuàng)手術中扮演手術助手的角色，由于體型非常小，它們可以輕而易舉進入人體開展工作——清除阻塞的動脈、止血或消除惡性腫瘤等等。
這種微型機器人的創(chuàng)造者，是同為美國西北大學冠名講席教授的黃永剛、John A. Rogers，以及清華大學航天航空學院教授張一慧帶領的國際合作團隊。這個研究組合堪稱豪華，其中黃永剛是中國科學院外籍院士，美國國家科學院、美國國家工程院、美國藝術與科學學院三院院士；John A. Rogers則是美國四院院士。相關研究發(fā)表在5月25日的Science子刊Science Robotics。
運動模式多樣，動作十分敏捷
大自然給了人類無限啟發(fā)，科學家通過小鳥發(fā)明了飛機、根據魚的身體結構發(fā)明潛水艇……這項研究的靈感也來源于一些爬行類小動物或者昆蟲，例如螃蟹、蜘蛛、尺蠖、蟋蟀和甲蟲。
“我們做了很多種不同形態(tài)的微型機器人，大家印象最深的是長得像螃蟹一樣的機器人，它們爬行起來的確很有趣。”論文通訊作者張一慧在接受《中國科學報》采訪時介紹。
最令人驚訝的是，這些微型機器人動作十分敏捷，快速變形可以達到每秒10次，行走的平均速度是每秒走一半的身體長度。
在黃永剛看來，要在如此小的機器人身上實現(xiàn)這一點極具挑戰(zhàn)性。
因此，研究團隊在選材上做了很多考量，最終使用了一種形狀記憶合金材料，把它與二氧化硅和一款骨架材料共同作用，能夠把形狀“記憶”下來，幫助達到塑形的目的。
和常規(guī)的機器人不同，這款微型機器人并非由復雜的硬件、液壓或電力驅動。它的力量在于身體的彈性，靠的是熱驅動。張一慧介紹，用激光掃描機器人，因為其組裝材料熱膨脹系數各不相同，加熱后材料間的熱學失配可以驅動小機器人不斷變換形態(tài)，從而產生運動。
“正是由于這些結構非常小，所以熱量傳播發(fā)生在瞬間，其冷卻速度也非?？欤鋮s后微型機器人又會恢復如初。”John A. Rogers解釋說，這就是為什么它們能做出快速響應的原因。
激光不僅能遠程控制機器人動起來，激光掃描的方向還決定了機器人行走的方向。例如，你從左往右掃描，機器人就會從右向左行走。
而且，每款形態(tài)的機器人，做出的動作也千差萬別。“通過不同的形態(tài)設計，依賴腿的協(xié)調和變形的控制，能讓機器人擁有不同的運動模式，比如爬行、跳躍、拐彎、走路等運動模式。”張一慧說。
小機器人將有大作用。“它們可以在微創(chuàng)手術中扮演手術助手的角色，由于體型非常小，它們可以輕而易舉進入人體開展工作——清除阻塞的動脈、止血或消除惡性腫瘤等等。”John A. Rogers說。
基于一套方法的N次創(chuàng)新
讓有腿的機器人能夠跳躍和爬行，已不是什么難事，然而要在這么小的尺度上開展，之前根本做不到。
這個團隊之所以能夠實現(xiàn)，是基于一種微尺度三維結構組裝方法。這種方法最早在2015年以封面論文的形式發(fā)表于Science，黃永剛、John A. Rogers和張一慧是論文的通訊作者。
論文一經發(fā)表引起了學術界的廣泛關注，成果很快被Science、Nature等期刊在專欄中報道，同時得到Chemistry Views、IOP Physics World、Nano Today等專業(yè)機構追蹤，還受到BBC、Discovery News等媒體報道。
這套方法一炮而紅，這也是國際上首次將可控力學屈曲引入至微尺度的復雜三維結構組裝，實現(xiàn)了從二維微納米薄膜到三維細微觀結構的高精度組裝。
其原理聽起來并不復雜?！芭c傳統(tǒng)操作不同，我們并不是直接把三維形態(tài)制作出來，而是先制作一些二維形態(tài)的結構，也就是平面的薄膜圖案，然后給它施加一些力學載荷，讓它很巧妙地變成目標三維結構?！睆堃换劢榻B，就像折疊立體圣誕卡，打開之后三維結構會彈起來。
在這個過程中，還有一個重要角色，即一個由非常柔軟的彈性聚合物（比如硅膠、橡膠等）做的組裝平臺。這種材質拉伸性很強，可以拉到很大，便于將平面薄膜圖案在上面進行壓縮。
張一慧說，之前提到的制作微型機器人的三種材料，就是在這樣的組裝平臺上，通過壓縮力的作用，從二維結構變成三維結構，并在材料本身特殊“記憶”能力的加持下，成功固形?！爸挥袕碗s的三維結構才能做出復雜的動作，就像我們研制出的‘螃蟹’機器人一樣?！?/p>
鑒于在三維微結構組裝領域的貢獻，2017年，Nature Reviews Materials專門邀請這一國際研究團隊撰寫關于三維細微觀結構成形方法的綜述論文，介紹了這一套力學組裝方法，也讓科學界更加了解這些方法的應用范圍、最新進展和發(fā)展趨勢。
該方法適用的材料范圍非常廣，比如半導體硅、金屬、陶瓷、聚合物、塑料等各種材料類型，而且適用于各個特征尺度下的材料組裝，比如從納米到分米，輕松打造微小結構造型。
研究團隊做了很多種不同形態(tài)的微型機器人。 受訪者供圖
“也就是說，通過這種制造方法，我們可以開發(fā)出各種形狀和大小的步行機器人，這是一個有趣的突發(fā)奇想?！睆堃换壅f。
興趣使然，不停探索
“走上科研這條路，完全是興趣使然。”張一慧一直對科研抱著崇敬和嚴謹的態(tài)度，他想結合國家和社會的需求開展一些有用的研究，希望利用自己的學科背景知識，去解決一些技術難點和關鍵科學問題。
他出生在安徽蕪湖市南陵縣，本科畢業(yè)于南京航空航天大學，在清華大學航天航空學院工程力學系取得碩士和博士學位，這個時期主要研究先進材料與結構的變形和失效行為。
2011年，張一慧來到美國西北大學，先后任博士后和研究助理教授。在這期間，黃永剛對張一慧的影響很大?！拔液苄疫\能進入黃永剛老師課題組學習。黃老師是無機柔性電子技術的開創(chuàng)者之一?！睆堃换壅f。
他刻苦鉆研的精神和卓越的才華受到導師的賞識。在黃永剛的指導下，他逐漸介入柔性電子技術，迸發(fā)出一些靈感，并與John A. Rogers課題組合作發(fā)展出屈曲力學引導的微尺度三維結構組裝技術。
除了這篇論文里的微型機器人，研究團隊還將這套組裝技術拓展用于研制可重構三維微電子器件、低頻振動能量收集器、仿生微電子飛行器等新型微器件，相關系列成果陸續(xù)在頂級刊物作為封面文章發(fā)表。
研究團隊在三維微結構組裝方向發(fā)表的代表性封面文章。 受訪者供圖
例如，去年9月發(fā)表在Nature期刊封面上的一種帶翼微芯片，就是該團隊研發(fā)出的有史以來最小的人造飛行結構。正如美國佐治亞理工大學教授V.V. Tsukruk評價的那樣，該組裝技術在生醫(yī)器件、微電子等領域有重要應用前景。
“能與頂尖的科學家一起做科研，我倍感榮幸。因為長時間合作，我們已經有了默契，跟著他們學習，我也積累了很多寶貴的經驗?！睆堃换郾硎尽?/p>
目前，這項微型機器人研究還處于探索階段，下一步研究團隊還會做些工作讓它們能與人更好地交互，融入智能化，賦予機器人更多的智慧。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.abn0602
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y
https://www.nature.com/articles/natrevmats201719
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1260960
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