全球可協(xié)同工作分子機(jī)器人開(kāi)發(fā)完成，可從事更加精細(xì)工作

日本北海道大學(xué)理學(xué)院科學(xué)家成功開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)利用集群策略工作的微型機(jī)器人，首次證明分子機(jī)器人能夠通過(guò)采用集群策略完成貨物遞送，運(yùn)輸效率是單個(gè)機(jī)器人的5倍。這一發(fā)現(xiàn)20日發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人》雜志上。

群體機(jī)器人學(xué)是一門新學(xué)科，其靈感來(lái)自于生物體的合作行為，它專注于機(jī)器人的制造及其在群體中完成復(fù)雜的任務(wù)的應(yīng)用。群體是多個(gè)個(gè)體的有序集體行為。宏觀規(guī)模的群體機(jī)器人已被開(kāi)發(fā)并用于各種應(yīng)用，如運(yùn)輸、堆積貨物、建造復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。

多個(gè)微型機(jī)器人可協(xié)同執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，從而增加系統(tǒng)冗余度和擴(kuò)展性，提高任務(wù)執(zhí)行效率。然而獨(dú)立控制多個(gè)由外界磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人具有挑戰(zhàn)，因?yàn)槿执艌?chǎng)中的多個(gè)微型機(jī)器人受到的磁場(chǎng)信號(hào)是相同的，難以實(shí)現(xiàn)選擇性地獨(dú)立驅(qū)動(dòng)多個(gè)微型機(jī)器人中的某一個(gè)。

該研究提出一種新穎的多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人完全解耦的獨(dú)立控制策略，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制4個(gè)微型機(jī)器人分別去往不同目標(biāo)位置，以及控制3個(gè)微型機(jī)器人分別跟蹤不同的參考路徑。

一群相互合作的機(jī)器人獲得了單個(gè)機(jī)器人所沒(méi)有的許多特性，它們可以劃分工作量，應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，甚至可以創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化。由于微米和納米級(jí)的微型機(jī)器人太小了，因此它們幾乎沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。但如果它們能夠“結(jié)群”合作，潛在用途將大大增加。

微型機(jī)器人有大作用的。美國(guó)加利福尼亞州一家初創(chuàng)企業(yè)表示，把微型機(jī)器人送入人類顱骨深處以治療腦部疾病長(zhǎng)期以來(lái)一直都是科幻小說(shuō)的內(nèi)容，但這可能很快將成為現(xiàn)實(shí)。Bionaut實(shí)驗(yàn)室公司去年獲得了美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)的審批，這為治療丹迪-沃克綜合征以及惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤的臨床試驗(yàn)鋪平了道路。惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤這種腦腫瘤在醫(yī)學(xué)上一般被認(rèn)為是無(wú)藥可救的絕癥。

在治療腦部膠質(zhì)瘤時(shí)，微型機(jī)器人將被用來(lái)直接向腦腫瘤注射抗癌藥物，以實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶的精準(zhǔn)打擊。施皮格爾馬赫說(shuō)，現(xiàn)有治療方法包括用藥物“轟炸”全身，這不僅會(huì)給機(jī)體帶來(lái)嚴(yán)重的副作用，還可能造成療效喪失。此外，微型機(jī)器人還可以在大腦內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量并收集組織樣本。擁有約30名員工的Bionaut實(shí)驗(yàn)室公司與合作伙伴就利用該技術(shù)治療帕金森氏癥、癲癇和中風(fēng)等大腦疾病進(jìn)行了討論。

施皮格爾馬赫說(shuō)：“據(jù)我所知，在設(shè)計(jì)此類帶有明確臨床試驗(yàn)?zāi)康漠a(chǎn)品上，我們是第一個(gè)做出商業(yè)努力的。但我覺(jué)得我們不會(huì)是唯一一個(gè)這樣做的……這一領(lǐng)域正在逐漸火起來(lái)。”

此前，利用納米技術(shù)，科學(xué)家們創(chuàng)造了一種新設(shè)計(jì)的神經(jīng)形態(tài)電子裝置，賦予微型機(jī)器人以彩色視覺(jué)。為微型機(jī)器人開(kāi)發(fā)一種微尺度的照相機(jī)，可以讓機(jī)器人進(jìn)入目前手段無(wú)法觸及的狹窄空間，并在醫(yī)療診斷、環(huán)境研究、制造業(yè)、考古學(xué)等方面開(kāi)辟新的前景。這種生物仿生"電眼"推進(jìn)了顏色識(shí)別，這是最關(guān)鍵的視覺(jué)功能，在目前的研究中，由于普遍的顏色傳感設(shè)備難以降級(jí)，因此錯(cuò)過(guò)了這個(gè)功能。

傳統(tǒng)的顏色傳感器通常采用橫向的顏色傳感通道布局，消耗了大量的物理空間，而且提供的顏色檢測(cè)精度較低。研究人員開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的堆疊技術(shù)，為硬件設(shè)計(jì)提供了一種新方法。德瓦爾斯半導(dǎo)體賦能的垂直色彩傳感結(jié)構(gòu)提供了精確的色彩識(shí)別能力，可以簡(jiǎn)化人工視覺(jué)系統(tǒng)降維的光學(xué)鏡頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

微型機(jī)器人的發(fā)展，是建立在大規(guī)模集成電路制造技術(shù)基礎(chǔ)上的。微驅(qū)動(dòng)器、微傳感器都是在集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和化學(xué)腐蝕技術(shù)制成的。兩者之間不同的是集成電路大部分是二維刻蝕的，而微型機(jī)器人則完全是三維的。微型機(jī)器人和超微型機(jī)器人已逐步形成一個(gè)牽動(dòng)眾多領(lǐng)域向縱深發(fā)展的新興學(xué)科，它的影響力度是相當(dāng)高的。