Science：史上最小机器人，到底有多小？

米测MeLab

2024-12-05

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

微型机器人散射的光可产生衍射光学效应，从而为机器人技术和衍射光学的交叉应用创造了机会。例如，机器人的结构、形状和方向可用于操纵和动态控制局部光场。

关键问题

然而，微型机器人的研究主要存在以下问题：

1、将衍射光学系统和微型机器人技术小型化到光波长尺度存在挑战    

将衍射光学系统和微型机器人技术小型化到光波长的尺度是一个技术上的挑战。这涉及到制造能够在微米级别操作的微型机器人，这些机器人需要嵌入信息并根据控制信号进行驱动和移动。

2、 在微米级别实现磁性驱动是一个难题

虽然磁性图案化机器人的磁驱动在毫米级别已经发展得很好，但在微米级别实现这种驱动一直是一个难题。通过将磁信息编码到微型机器人中以及使用ALD技术为微型机器创建灵活、耐用且与半导体制造工艺兼容的结合，才使得在微米级别实现磁性驱动成为可能。

新思路

有鉴于此，康奈尔大学Paul L. McEuen等人介绍了一种新型磁控微型机器人（微型机器人），它们在可见光衍射极限下运行，称之为衍射机器人。作者将纳米厚的机械膜、可编程纳米磁铁和衍射光学元件结合起来，创造出不受束缚的微型机器人，它们足够小，可以衍射可见光，并且足够灵活，可以在毫特斯拉级磁场中进行复杂的重新配置。作者展示了它们的应用，包括使用结构化照明显微镜变体进行亚衍射成像、用于光束控制和聚焦的可调衍射光学元件以及具有皮牛顿灵敏度的力感应。

技术方案：

1、开发了衍射机器人平台

作者在10x10毫米硅片上制造了数千个衍射机器人，由衍射面板、可编程纳米磁铁和5纳米ALD铰链组成，可实现多尺度集成，用于磁控衍射应用。

2、制造了双面板衍射机器人    

作者制造了能响应磁场的衍射机器人，通过衍射成像实现纳米级内部配置测量，且能水面行走或起飞，展示出色的移动能力。

3、展示了光机械超材料

本工作开发的制造方法能创造复杂折纸结构的衍射机器人，可由磁场驱动并实现多种应用，如超越衍射极限的成像技术。

4、开发了名为机器人SIM（R-SIM）的技术

作者开发了R-SIM技术，使用衍射机器人在磁场控制下产生结构光场，实现超衍射极限成像，展示了亚衍射分辨率成像能力。

5、展示了衍射机器人在光学控制和成像技术中的应用潜力

作者开发了磁控衍射光栅和菲涅尔透镜，能动态调整光束和焦距，实现光场控制，具有测量微小力的灵敏度。

技术优势：

1、提出了一个创新的磁控衍射机器人平台

作者提出了创新的磁控衍射机器人平台，该平台利用可编程纳米磁体将多轴磁信息编码到衍射面板中，并通过5纳米厚的铰链实现超柔性连接，形成磁致动关节，能够在衍射可见光的同时，在毫特斯拉级均匀磁场中进行大规模内部重构。

2、展示了衍射机器人的多孔能应用

作者展示了衍射机器人的多种应用，包括使用结构化照明显微镜变体进行亚衍射成像、作为可调衍射光学元件用于光束控制和聚焦，实现具有皮牛顿灵敏度的力感应，展示了衍射机器人在高精度成像、光学控制和微小力测量方面的潜力。

技术细节    

衍射机器人平台

在10x10毫米的硅片上，作者制造了数千个衍射机器人，它们能够使光线衍射出多种颜色。这些机器人由衍射面板、可编程纳米磁铁和柔性ALD铰链组成，通过深紫外和电子束光刻技术以及半导体制造工艺制造而成。衍射光栅宽50微米，面板宽1毫米，而ALD铰链仅5纳米厚，实现了从毫米到纳米的多尺度集成。可编程纳米磁铁由单畴钴纳米磁铁组成，其矫顽场和磁偶极子方向通过形状各向异性控制。这些磁铁嵌入二氧化硅面板中，并覆盖以铬，最终由5纳米厚的ALD SiO₂膜连接，形成耐用的柔性接头。这一平台能够创建具有任意数量面板、铰链或光学元件的任意微型机器人结构，为磁控衍射机器人提供了一个通用制造方法。    

图  衍射机器人平台

双面板衍射机器人

作者利用制造协议创建了多种衍射机器人，它们由两个面板组成，通过ALD铰链连接，形成旋转自由度。每个面板上的纳米磁体阵列被编程以创建相反方向的磁偶极子，使得机器人能在外部磁场中折叠。衍射图像提供了一种测量机器人内部配置的纳米级精度方法，超越了传统实空间成像。机器人的质心扩散运动与表面附近球形颗粒的扩散常数相当，而衍射成像技术消除了布朗运动对成像的影响，实现了更准确的内部配置测量。此外，这些机器人还能在复杂磁场驱动下沿表面行走，甚至产生升力从水面起飞，展示了在不同环境下的移动能力。这些微型衍射机器人展示了驱动、移动和通过衍射测量内部微小变化的能力。    

图  双面板衍射机器人

运动光机械超材料

本设计与制造方法不仅限于简单结构，还能制造可见波长范围内的复杂折纸结构，并用磁场驱动。作者展示了三种折纸图案的光机械超材料，包括方形晶格膨胀材料、Miura-Ori结构和树枝状爪状机器人，它们在外部磁场作用下展现出不同的形状变化和运动。这些衍射机器人不仅丰富了设计空间，还实现了亚衍射显微镜、可调衍射光学元件和局部皮牛顿力传感等多种应用。特别是，作者利用结构化照明显微镜技术，使成像超出了标准衍射极限，展示了衍射机器人在移动光学元件中的应用潜力。    

图  运动光机械超材料

亚衍射成像的衍射机器人

作者开发了一种名为机器人SIM（R-SIM）的技术，利用衍射机器人主体产生结构光场，实现超衍射极限成像。R-SIM通过机器人在均匀磁场中旋转控制光栅高度，收集不同角度和相位的图像，生成莫尔条纹，将高空间频率信息转换为低空间频率，实现亚衍射分辨率成像。此外，R-SIM还能解析局部孤立特征，通过扫描和收集图像数据，重建出清晰图像，展示了其在超分辨成像领域的潜力。    

图  用于亚衍射成像的衍射机器人

光束控制和聚焦

作者成功开发了衍射机器人，用于光束控制和聚焦。这些机器人配备磁可调周期的衍射光栅，通过改变磁场来控制光栅的周期性，进而控制衍射角度，实现光束的动态调整。此外，作者还展示了具有可变焦距的衍射菲涅尔透镜，通过磁场调节改变焦点位置，焦距可连续调节20%，为光学元件设计提供了新的可能性。这些成果展示了衍射机器人在光学控制和成像技术中的应用潜力。 

图   可调光学和力传感

展望

总之，本工作介绍的衍射机器人代表了微型机器人领域的重大进步，为机器人和衍射光学之间提供了新的联系。使用机载磁控，作者已经证明这些机器人可以通过一系列不同的状态进行驱动，沿着表面移动，并控制衍射光。为了展示这个平台的灵活性和强大功能，使用机载光学元件进行了超分辨率成像，使用衍射光学元件引导和聚焦光线，并测量了纳米级面板运动以进行超小力感应。该机器人平台的通用性允许快速生产和修改各种尺寸、几何形状和光学元件，包括亚波长孔径、超原子和等离子体共振探针。

参考文献：

CONRAD L. SMART, et al. Magnetically programmed diffractive robotics. Science, 2024, 386(6725): 1031-1037.

DOI: 10.1126/science.adr2177

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr2177