最近，康奈爾大學的一組研究人員成功地在一個太陽能驅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，康奈爾大學的研究人員已經開發(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。

康奈爾大學文理學院的物理學教授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??；另一個主要挑戰(zhàn)是一體化全功能的機器人必須實現CMOS集成電路和微執(zhí)行器的異構集成。

康奈爾大學的研究人員結合了表面電化學促動器(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，實現一個包含晶體管、二極管、電阻和電容的陣列。該集成電路產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。利用該大學的納米科學技術設施(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動器。頻率驅動器由一系列D觸發(fā)器組成，可將脈沖轉換為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，康奈爾大學的研究人員發(fā)現，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、手術方面的潛力

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

研究人員正在致力于整合機器學習算法，這樣微型機器人就可以獨立學習和適應環(huán)境。該團隊希望在未來的研究中，通過實現更復雜的任務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