最近，康奈爾大學(xué)的一組研究人員成功地在一個太陽能驅(qū)動的智能微型機器人身上安裝了“大腦”。

這些微型機器人的尺寸在100到250微米之間——幾乎是人類一根頭發(fā)的寬度。這種大小的機器人通常是外部控制的，但康奈爾大學(xué)的原型包括一個板載電路來控制其運動。

制造無線行走機器人

近年來，康奈爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出可以爬行、行走、游泳且可以彎曲身體的微型機器人。但這些微型機器人的運動都是由外部電線或聚焦激光束控制的。

康奈爾大學(xué)文理學(xué)院的物理學(xué)教授Itai Cohen召集了一組研究人員，尋找去除外部控制后讓微型機器人能夠自主運動的方法。過去如果沒有wire bond和多芯片堆疊，研究人員很難將微型機器人擴展到微米級。典型的CMOS電路包括不同功能的wire bond，這會增加IC的尺寸和重量，使其難以縮小；另一個主要挑戰(zhàn)是一體化全功能的機器人必須實現(xiàn)CMOS集成電路和微執(zhí)行器的異構(gòu)集成。

康奈爾大學(xué)的研究人員結(jié)合了表面電化學(xué)促動器(surfaceelectrochemical actuators, 簡稱SEAs)和硅光伏(PVs)來克服這些挑戰(zhàn)。一旦CMOS電路接收到電壓信號，氧分子就會附著并膨脹到這一層，使執(zhí)行器彎曲機器人的腿。

微型機器人的“大腦”和制造過程

康奈爾大學(xué)的研究人員稱，微型機器人的“大腦”是一個簡單的CMOS時鐘電路，實現(xiàn)一個包含晶體管、二極管、電阻和電容的陣列。該集成電路產(chǎn)生一個信號來控制機器人的步態(tài)。在測試階段，微型機器人可以每秒移動4到20微米。

研究小組克服的最后一個障礙是制造過程。這一過程需要13層光刻，12次蝕刻和11次10種不同材料的沉積。利用該大學(xué)的納米科學(xué)技術(shù)設(shè)施(CNF)，研究人員最終完成了一個8英寸的硅晶圓。有了這種晶圓，微型機器人的光伏電源和CMOS時鐘電路就不會干擾機器人的腿部運動。

太陽能驅(qū)動微型機器人

微型機器人有兩對基于光伏的電源，為腿的運動和時鐘電路提供專用電源。CMOS時鐘電路由一個弛豫振蕩器組成，作為時鐘輸出和頻率驅(qū)動器。頻率驅(qū)動器由一系列D觸發(fā)器組成，可將脈沖轉(zhuǎn)換為50%占空比，使機器人可以輕松地通過輸出引腳發(fā)送信號。

在測試階段，康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在1到3千瓦/平方米的連續(xù)光強下，微型機器人的速度達(dá)到12 μm/s。雖然研究人員可以通過將輸入頻率提高到4Hz來提高速度，但該團隊還是將工作頻率保持在1到2Hz之間，保證微型機器人不會在平面上打滑。

微型機器人在清潔、監(jiān)測、手術(shù)方面的潛力

康奈爾大學(xué)的研究人員表示，這些微型機器人可以用于環(huán)境清理、醫(yī)療物質(zhì)監(jiān)測和顯微手術(shù)。

研究人員正在致力于整合機器學(xué)習(xí)算法，這樣微型機器人就可以獨立學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境。該團隊希望在未來的研究中，通過實現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)和基于人工智能的算法來擴展微型機器人家族。

審核編輯 ：李倩