如果你看过科幻电影《神奇旅程》（Fantastic Voyage），一定不会忘记那艘缩小后进入人体血管的潜水艇。几十年来，科学家们一直在梦想创造出能进入人体内部、修补细胞的微型机器人。
近日，来自宾夕法尼亚大学和密歇根大学的科研团队在顶级期刊 Science Robotics 上发表了一项成果。他们成功研制出世界上最小的、全自主且可编程的微型机器人：长约 300 微米，宽 200 微米，厚度仅为 50 微米，比一粒盐还小，却集传感器、计算机、推进系统于一身，每颗成本仅一美分。更重要的是，它们不需要外部磁控、不需要线缆牵引，靠一束 LED 光就能存活数月，自己感知环境、做出决策。
“我们已经将自主机器人的尺寸缩小了 1 万倍，”宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程系助理教授、论文资深作者 Marc Miskin 说。“这为可编程机器人开辟了一个全新的尺度。”
几十年来，电子产品的体积越做越小，但机器人的微型化进程却步履维艰。“制造尺寸在毫米级以下且能独立运行的机器人极具挑战性，”Miskin 坦言，“该领域已经被这个问题困扰了整整 40 年。”
那么，为什么造一个小机器人这么难？答案是：物理法则变了。
在人类所处的宏观世界中，重力和惯性等力量主导着物体的运动。然而，当尺度缩小到细胞级别时，与表面积相关的力，如阻力和粘滞力便占据了主导地位。
换言之，在微观尺度下，肢体驱动等适用于大型机器人的运动策略几乎失效。极其微小的机械臂不仅容易折断，制造起来也异常困难。因此，团队必须设计一套全新的推进系统，一套顺应而非对抗微观领域独特物理法则的系统。
就像大型水生动物（如鱼类）通过向后推水获得向前的反作用力，从而实现推进一样。这种新型机器人不需要摆动身体，它们先产生一个电场，推动周围溶液中的离子。这些离子进而推动附近的水分子，使机器人周围的水流动起来。“这就好比机器人身处一条流动的河流中，但这流动的河水却是由机器人自己制造的。”Miskin 解释道。
机器人可以调节产生这种效应的电场，从而实现复杂的运动模式，甚至能像鱼群一样协调编队，以每秒一个身长的速度前行。
由于产生电场的电极没有任何活动部件，这些机器人极其耐用。“你可以用微量移液管将它们反复从一个样本转移到另一个样本中，而不会对其造成损伤，”Miskin 说。在 LED 光源的照射下，它们可以持续游动数月之久。
图 | 微型机器人电路概览（来源：Science Robotics）
但要实现真正的自主，机器人需要一个大脑来进行决策，需要电子设备来感知环境并控制推进，还需要微型太阳能电池板来提供能源，而所有这些组件，都必须集成在一块不足毫米大小的芯片上。这正是密歇根大学 David Blaauw 团队大显身手的地方。
Blaauw 的实验室保持着“世界最小计算机”的纪录。五年前，当 Miskin 和 Blaauw 在国防部高级研究计划局（DARPA）举办的一次演讲中初次相遇时，两人立刻意识到他们的技术简直是天作之合。“我们发现，宾夕法尼亚大学的推进系统和我们的微型电子计算机简直是为彼此量身定做的，”Blaauw 回忆道。尽管如此，双方仍历经了五年的艰苦攻关，才造出了第一台可工作的机器人原型。
“电子系统面临的核心挑战在于太阳能电池板太小了，只能产生 75 纳瓦的功率，比智能手表的功耗低了 10 万倍以上。”为了让机器人的计算机在如此微弱的功率下运行，密歇根团队开发了极其低压的专用电路，将计算机的功耗降低了 1,000 倍以上。
即便如此，太阳能电池板还是占据了机器人的大部分空间。因此，第二个挑战是如何在仅剩的微小空间内塞进处理器和存储程序所需的内存。“我们必须彻底重新构思计算机指令，”Blaauw 说，“我们将传统上需要多条指令才能完成的推进控制压缩为一条特殊的指令，以此缩减程序长度，使其能装入机器人极小的内存空间中。”
正是这些创新，造就了首款真正能思考的亚毫米级机器人。据研究人员所知，此前从未有人将真正的计算机，包含处理器、内存和传感器植入如此微小的机器人体内。这一突破使它们成为首批能够独立感知并采取行动的微型机器人。
作为首款集成了处理器、内存、传感器和制动器的亚毫米级机器人，其应用潜力不可估量。
首先，凭借与生物细胞相当的尺寸，它们有望潜入人体内部，实时监测单个细胞的健康状况（如通过温度反映细胞代谢活性），甚至进行靶向给药；其次，通过编程，成群的微型机器人可以像鱼群一样协同工作，在微观尺度上组装复杂的微机电系统。
目前，该机器人被视为一个通用的技术平台。未来版本的机器人将能够存储更复杂的程序，移动速度更快，集成新型传感器，或在更严苛的环境中作业。
参考链接：
1.Maya M. Lassiter et al. ,Microscopic robots that sense, think, act, and compute.Sci. Robot.10,eadu8009(2025).DOI:10.1126/scirobotics.adu8009
2.https://futurism.com/future-society/robot-small-travel-human-body
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