纳米机器人——世界上最小的折纸鸟，登上科学子刊封面

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作者/文龙

如果你想构建一个功能齐全的纳米级机器人，只需要将电子电路、传感器、天线等一系列元件进行整合；但如果您想让它动起来，就需要能够弯曲的材料。

康奈尔大学的研究团队创造出微米大小的形状记忆驱动器，只需提供快速震荡电压，就可使原子大小厚度的平面材料能够自行折叠成立体的3D 构造。并且，一旦材料弯曲，即使是去除电压也能持续保持形状。
研究成果于3月17日以「用于低功率微型机器人的微米级电可编程形状记忆驱动器」（Micrometer-Sized Electrically Programmable Shape Memory Actuators for Low-Power Microrobotics）为题发表在《科学·机器人》（Science Robotics）杂志上，并登上了杂志封面。论文的主要作者是博士后研究员刘清坤和博士生王伟。

形状记忆效应是指某些材料在暴露于诸如温度、电磁场或光等外部刺激时保持临时的特定形状并恢复其原始形状的能力。

理想的可以集成到微型智能系统中的形状记忆驱动器具有多个挑战：材料应能够长时间保持形状，能够被电驱动以及可弯曲至微米级的曲率半径。另外，应该使用与现代半导体制造相一致的技术来制造它，以实现与现有电子设备的集成。

该团队研发出的纳米器件由一层纳米厚的铂薄膜组成，该薄膜在一侧被钝化层覆盖，通过对铂表面施加正向电压进行电化学氧化，使得氧化层中产生导致弯曲的应变。由于嵌入的氧原子会聚在一起形成势垒，阻止其扩散出去，该器件甚至可以在停止施加电压后仍能保持形状。

通过向设备施加负电压，研究人员可以去除氧原子，并迅速将铂还原为原始状态。通过改变面板的图案，以及铂是暴露在顶部还是底部，可以创建一系列折纸结构。

图示：电化学过程。（来源：论文）

这种形状记忆驱动器不仅可以在100 ms内快速折叠，还可以重复折叠数千次。不需供电即可长时间的保持形状，使其可以在最大程度上降低功耗，这对微型机器人来说十分有利。

该驱动器还具有很强的柔韧性，驱动器弯曲的曲率半径可达到小于1微米。柔韧性对微观机器人的制造之所以重要，是因为机器人的尺寸取决于各种附件的折叠程度。弯曲程度越大，折痕越小，每台机器的占地面积就越小。
为了对研究成果进行演示，康奈尔大学研究团队还制造出了可能是世界上最小的自折叠折纸鸟。在此之前，他们发明的最小的行走机器人获得了吉尼斯世界纪录。现在，他们希望用这只仅有60微米宽的自折叠折纸鸟创造新的记录。

图示：自折叠折纸鸟。（来源：Science Robotics）

刘清坤说：「在如此小的规模上，它不再像传统的机械工程，而是化学、材料科学和机械工程的混合应用。」

主导整个项目的物理学教授伊泰·科恩（Itai Cohen）和保罗·麦克尤恩（Paul McEuen）称赞刘清坤的化学背景给该项目带来了额外的惊喜，提供了能够使材料折叠并保持形状背后蕴含的电化学反应原理。

智能纳米机器人

「最困难的部分是制造能够响应CMOS电路的材料，」Cohen说，「这就是清坤为这种形状记忆驱动器所做的工作，你可以用电压驱动它并使它保持弯曲的形状。」

该团队目前正在努力将其形状记忆驱动器与电路集成在一起，制造出具有可折叠四肢的行走机器人以及通过波动向前移动的片状机器人。这些创新可能有一天会促使纳米Roomba 型机器人能够清除人体组织中的细菌感染，甚至研发出比当前手术设备小十倍的纳米机器人。

「我们希望能有一个具有大脑的微观机器人，这意味着需要具有由互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS）晶体管驱动的部件。」
想象一下，一百万个装配式微型机器人从晶圆上释放后折叠成特定形状，自行完成它的任务，或是组装成更复杂的结构。这是团队的最终愿景。
人类发展的下一步

McEuen认为：「我们作为人类的主要特征是，我们已经学会了如何在人类规模乃至更大规模上构建复杂的机器和系统，但是，我们还没有学会如何在微小规模上建造机器。学习如何构造像细胞一样小的机器，是人类可以做到的根本性发展的一步。」

目前为止，McEuen和Cohen的持续合作已产生了许多纳米级的机器和组件，并且每一代都比上一代更快、更智能、更优雅。

但一个重要的问题是：设计、制造和操作此规模的机器人，需要改变哪些原则？

「这些薄层只有大约30个原子厚度，而纸张的厚度就有100,000个原子。因此，弄清楚如何制作具有这种结构的东西是一项巨大的工程挑战。」

美国陆军作战司令部陆军研究办公室项目经理迪恩·卡尔弗（Dean Culver）对他们的工作表示认可：「Cohen教授和他的团队正在突破我们可以在微米甚至纳米尺度上控制运动的速度和精确度的界限。除了为纳米机器人铺平道路之外，这项工作的科学进步还可以实现与智能材料设计以及分子生物学的互动。」

论文链接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabe6663

参考内容：https://news.cornell.edu/stories/2021/03/self-folding-nanotech-creates-worlds-smallest-origami-bird