今日Nature，唤醒诺奖得主半个多世纪的预言！
小纳米
2020-08-28
1959年，素有纳米技术鼻祖之称的诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman（理查德·费曼）曾提出“swallow the surgeon”的科技蓝图。费曼设想，未来的某一天，人类将不再需要外科医生来进行手术，只需要将微型机器人放入人体，机器人就可以自行在体内进行手术和药物的释放等操作。微米级甚至纳米级机器人技术的核心优势在于，人类可以在宏观机器人无法到达的微观环境中，实现自动化，这将为人类社会带来革命性的进步，包括医疗健康、工业生产、能源环保等等。在过去的50年中，摩尔定律在微电子领域的发展为快速发展的微型机器人领域带来了巨大的机遇。如今，电、磁和光学系统可以提供前所未有的复杂、小体积和低成本的组合，并且可以很容易地适用于小于人类视觉分辨率极限的机器人（小于100 μm）。然而，微型机器人的大规模构建依然存在许多问题悬而未决，其中一个关键障碍就在于：缺乏与半导体工艺无缝集成并响应标准电子控制信号的微米级致动器系统。有鉴于此，康奈尔大学Itai Cohen，Paul L. McEuen，Marc Z. Miskin等人报道了一种新型电压可控的电化学致动器（SEAs）有效克服上述障碍。这种致动器可在低电压（200 mV）、低功率（10 nW）下工作，并且与硅工艺完全兼容，很容易与微电子元件集成，以实现大规模构建完全自主的微型机器人。设计能在在液体环境中移动的微型机器人，一直是本领域的关键难题，因为强大的阻力会阻止微型物体保持运动。为了克服这一挑战，研究人员设计了一款新型的微型执行器电化学致动器（SEA），可将能量转换为运动。这种新型的电化学致动器（SEAs）由纳米级的Pt制成，并使用与制造计算机芯片相同的半导体纳米制造技术制造。研究人员首先使用原子层沉积技术生长厚度为7 nm的铂金属，然后用石墨烯或溅射钛等无活性材料覆盖于裸露表面进行光刻。SEAs可以重复循环而不会发生明显降解，可在大约10–100 ms时间内响应。当施加少量电流时，电流导致周围溶液中的离子吸附到执行器的表面，从而改变了支腿中的应力，从而使其弯曲，制动器就会折叠和展开。在新型制动器的基础上，研究人员制造了一个微型机器人原型，可于激光脉冲照射下在液体中自由运动。研究人员将这些执行器中作为支腿，支腿连接到机器人中央机架上的几个光伏板。当操作员将激光照射在这些光伏板上时，执行器会弯曲并伸直，使其即便淹没在水中，也能在颠簸的表面上缓慢移动。实验人员可以通过将激光照射在不同的光伏板上来在弯曲前腿和后腿，并进行交替，从而推动机器人。这种机器人的制造从p型绝缘体上的硅晶片开始，使用标准掺杂、光刻和金属化来创建机器人的板载电路。硅加工完成后，再对支腿进行沉积和图案化制作，首先构建SEAs，然后是硬质面板。通过保持较低的工艺温度(<250 °C)，这些工艺不会损害先前制造的电子元器件，并且与未来更复杂的互补金属氧化物半导体（CMOS）完全兼容。换句话说，大范围的CMOS电子器件可以被图案化， SEAs可以使用完全相同的工艺流程将它们连接起来。通过一种新的三步工艺，研究人员将机器人从基板上剥离出来，而且几乎不会损坏。首先，在机器人顶部溅射一层200 nm厚的铝层，作为机械支撑。然后，通过二氟化氙气相刻蚀去除下面的硅。一旦机器人被切开，立即用聚二甲基硅氧烷（PDMS）冲压将它们捡起来，在机器人顶部旋涂一层光致抗蚀剂粘合剂，然后将抗蚀剂-机器人-铝层压印在目标基板上。最后，先后对铝和光刻胶进行湿法刻蚀，将机器人释放到溶液中，成品率为90%。十多年来，研究人员对微型机器人在液体环境中的运动机制进行了长期的攻关。通过各种策略，可以实现比本研究中更小，更快的机器人。那么，这项新工作有什么特别之处呢？更高的推进效率：将能源转化为运动的效率比常规机器高达一百万倍，而且不需要在特定的化学环境才能发挥作用。更好的兼容性：执行器可与微电子电路集成，这决定了微型机器人不仅可以按需游动，还可以满足将来更多的应用需求，可使用来自板载传感器和逻辑电路的输入来遵循更高级的指令。崭新的设计概念：他们没有向静态粒子添加推进机制，而是使原型机器人小型化，以得到一种具有由电子设备控制的机械腿的步行机。由于执行器的制造技术与制造电路板的技术相同，因此原则上可以同时印刷未来机器臂的“大脑”（逻辑电路）和支腿。并且由于致动器可以由通常流经电子电路的低功率电流操作，因此传感器和逻辑组件可以与致动器无缝集成。当前，微型机器人的制造技术挑战主要通过两种策略来解决。一种是牵线木偶策略，另一种是完全自主策略。原型机具有一些与电源和机器本身分开的计算或决策组件，可实现远程能源供应和认知功能。本研究就属于这种策略，因为操作员可以通过激光照射机器人底盘上的光伏块上来提供指令。牵线木偶策略的主要优势在于：它无需集成板载电源和计算电路即可对功能组件进行测试，譬如可以通过磁场进行操纵来进行眼科手术。牵线木偶策略的主要缺点在于：必须始终将机器人“束缚”在其能源和信息源上。对于微型机器人的许多实际应用，可能需要这种自主权。通过构建完全不受任何束缚的自主设备，微型机器人自带储能技术或从环境中获取能量，并带有板上逻辑电路和传感器，可产生受控输出，而无需远程指挥。然而，考虑到能量存储，计算能力和小规模制造方法的局限性，对于完全自主设备可以实现多少微型化而又不丧失对其进行“智能”功能编程的能力，还有待观察。自主微型机器人在能源驱动方面已经取得了巨大进步，但是可编程性仍然是一个挑战。本研究中虽然采用的是牵线木偶的策略，但是为解决自主微型机器人的问题也提供了全新的思路。本研究所提供的微型机器人可以看作是一个可以安装指挥中心和能源中心的平台，考虑到带有传感器和集成电路的亚毫米大小的芯片研究突飞猛进，因此可以预见，为微型机器人开发自主可编程性的障碍将很快克服。很快，微型执行器与微型电路板和传感器的无缝集成，将使我们更接近半个多世纪前费曼的预言。1. Marc Z. Miskin et al. Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots. Nature 2020, 84, 557–561.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-92. Allan M. Brooks, Michael S. Strano. Nature 2020, 584, 530-531.https://www.nature.com/articles/d41586-020-02421-2
