Science Robotics：亚毫米尺度的遥控步行机器人

2022-06-01 03:06

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亚毫米级尺寸的机器人在微创外科手术、微纳米制造等领域具有广泛的应用价值。然而，当尺度在毫米以下时，大部分机器人仅能在液体中运动，或者在特殊构造的固体表面实现简单的定向运动。本工作融合微电子工艺与三维屈曲的方法，以并行化的方式制备了亚毫米尺度、多材料集成的步行机器人，能够通过激光进行远程控制。通过集成角锥棱镜、变色材料等模块，还可以实现机器人的自我定位，并能对周边环境的多种物理、化学量进行远程监测。

近日，《科学》子刊Science Robotics上发表了题为“Submillimeter-scale multimaterial terrestrial robots”的研究论文，提出了一种亚毫米尺度、多材料集成的步行机器人，具有自我定位与遥测的能力，有望在未来微创诊疗与微纳制造等领域发挥重要作用。

作者首先通过光刻、刻蚀等方法制备多层二维，进而利用压缩屈曲的方法将多层2D图案转换为3D结构。在这些3D结构表面保型沉积二氧化硅薄膜可以实现形状的固定，使其与衬底脱离时仍然能维持三维形貌。这些方法都能够以并行化的方式实现，具备大批量加工的能力。此外，这种制造方法可以充分利用微电子光刻工艺高精度的优势，实现尺寸非常小的3D机器人。如图一所示，这些像螃蟹一样的微型机器人尺寸只有硬币厚度的一半。

图一：亚毫米尺度机器人的制备流程示意图及光学照片。

这些机器人由聚酰亚胺和形状记忆合金构成，当温度升高时，形状记忆合金内部会产生驱动力，是3D结构“摊平”为2D图形；当温度降低时，保型沉积的二氧化硅薄膜外壳会提供回复力，将2D图形重新“拉扯”成3D形貌。通过周期性的升温与降温，这些机器人就可以产生往复的形状变化。在结构方面，除了类似螃蟹的仿生构型，还可以通过改变光刻版图形和压缩屈曲的预应变来实现更多的三维形貌，如弯曲的条带阵列、复杂的折叠结构等，它们的整体尺寸可以小于200 μm，最细线条尺寸小于10 μm。如视频一所示，这些结构可以产生弯曲、扭转、膨胀等运动模式。

视频一：不同形貌的机器人。

通过激光以一定的时序加热机器人的不同位置，可以实现可控的定向运动。如图二所示，当激光从右向左扫描时，会依次加热机器人的右、中、左部分，导致机器人重心向右或向左偏移，从而在左右两侧产生不同的支持力。两侧支持力的差异是机器人实现定向运动的基础。如视频二所示，当激光从右向左扫描时，机器人能够实现自左向右的定向运动；而激光从左向右扫描时，机器人会沿着相反的方向运动。另外，激光扫描的频率决定了机器人的运动速度，由于本工作所构建的机器人尺度非常小，自然降温速度非常快，可以在1秒内往复升降温十余次，在这种条件下，机器人的运动速度达到了每秒半个身长（视频三）。

图二：机器人定向运动的机理分析。

视频二：具有多方向运动能力的微型螃蟹。

视频三：不同激光扫描频率下机器人的运动速度对比。

在这些机器人上集成角锥棱镜和半透明变色材料可以实现定位与遥测功能。得益于特殊的几何形状，角锥棱镜能够将任意角度的光线沿着入射方向返射。因此，在激光旁边放置一个光点探测器就可以检测反射光的强度。来自周围环境的刺激可以改变半透明变色材料的颜色，从而影响反射光的强度。基于这种原理，研究人员实现了湿度、酸碱度、紫外辐照强度等物理、化学参量的远程测量。