比一粒鹽還小的機器人可以做什麼？美研究團隊打造全球首款會思考、完全可程式化的微型機器人
說到機器人，多數人腦中立刻浮現的可能是工廠裡的機械手臂，或是能協助送餐、與人對話的服務型裝置。不過，近日美國賓州大學與密西根大學的研究團隊，合作打造出尺寸「比一粒鹽還小」的完全可程式化自主機器人。研究團隊也預期，這款機器人未來有機會廣泛應用於醫療，或輔助建構微型設備來促進製造業的發展。
「幾十年來，電子產品變得越來越小，但機器人卻難以跟上，」賓州大學工程學院電子與系統工程系助理教授、此篇研究論文的資深作者 Marc Miskin 說明，製造尺寸小於一毫米且能獨立運行的機器人極其困難，這個挑戰在過去四十年裡也一直困擾著這個領域。「我們已經將自主機器人的尺寸縮小了一萬倍，」 Marc Miskin 強調，這次的研究成果，是微型機器人領域顯著的技術突破，也將開啟更多的應用可能。
如何讓微型機器人克服阻力與黏滯性挑戰，成功在液體中「游泳」？
這款微型機器人的尺寸約為 200 × 300 × 50 微米，與許多微生物的大小相仿。在這種極微小的尺寸下，與體積相關的重力和慣性不再是主導力量，取而代之的是與表面積相關的「阻力（drag）」與「黏滯性（viscosity）」。
考慮到這種微型機器人將面臨的阻力和黏滯性挑戰，因此研究團隊決定將它們設計成「游泳機器人」，儘管要讓微型機器人在微尺度下推動水就像在「推焦油」一樣困難，因為常見的移動方式在充滿水的環境下皆難以奏效且容易損壞。
為了解決這些挑戰，研究團隊決定設計全新的推進系統，原理是透過機器人產生的電場來「推動（nudges）」周圍溶液中的離子，讓這些運動的離子進而帶動水分子，產生推動力讓機器人得以在液體中「游泳」。
同時，藉由調整離子場的變化，機器人可以展現複雜的移動模式，甚至能像魚群一樣進行協同或編隊式運動。此外，為了維持微型機器人極小化的優勢，研究團隊刻意避免使用會增加體積且結構脆弱的活動零件，這種「沒有活動零件」的特性也大幅提升耐用性，「你可以用微量移液器反覆將這些機器人從一個樣本轉移到另一個樣本，而不會損壞它們，」 Marc Miskin 說。
為微型機器人裝上電子元件、控制推進系統、太陽能板等完整「大腦」
在具備移動能力之外，這些微型機器人能真正具備「自主性」的關鍵，在於是否有一個完整的「大腦」。機器人必須內建電腦才能自行接收並執行指令，同時還需要電子元件來感測周遭環境、控制推進系統，並透過微型太陽能板供電，而這一切都必須被壓縮進不到一粒鹽大小的晶片中，這正是密西根大學 David Blaauw 團隊發揮關鍵角色的地方。
David Blaauw 領導的實驗室曾創下「世界最小電腦」的紀錄。「我們看見彼此時就知道，賓州大學研究團隊研發的推進系統，和我們的微型電子電腦，簡直就是為彼此而生，」David Blaauw 回憶道。不過，從概念到實作，兩校的研究團隊仍花五年時間才完成第一台可運作的機器人。
例如在電子設計上，最大的挑戰來自極端受限的能源條件。David Blaauw 指出，機器人所能使用的太陽能板非常微小，輸出功率僅有 75 奈瓦，為了讓電腦能在如此低功耗下運作，密西根大學團隊開發了能在極低電壓下運行的特殊電路，將整體耗電量降低超過 1,000 倍。
即便如此，太陽能板仍佔據了機器人絕大多數的空間，迫使研究人員必須在剩餘的極小區域內塞入處理器與儲存程式所需的記憶體。為此，團隊徹底重新設計電腦指令架構，並將原本需要多道指令才能完成的推進控制，濃縮為單一、專用指令，以縮短程式長度並適應有限的記憶體空間。
打造首款真正具備「思考能力」的微型機器人，運作時間可達數月
這些設計突破，讓研究團隊得以打造出首款真正具備「思考能力」的微型機器人。研究人員表示，據他們所知，過去從未有人在如此微小的機器人中，同時整合處理器、記憶體與感測器，並讓微型機器人能獨立感測並自主行動。
目前這些微型機器人可以配備電子溫度感測器，也能回報溫度數據，作為細胞活動狀態的替代指標，用於監測單一細胞的健康狀況。這群微型機器人回傳數據的方式，是由密西根大學團隊設計一套特殊的電腦指令，讓機器人利用推進系統做出類似蜜蜂的「搖擺舞（waggle dance）」。透過這項技術，微型機器人就可以將感測到的數值編寫進特定頻率的擺動動作中，研究人員則透過顯微鏡與攝影機觀測這些「擺動」並進行解碼，藉此解讀機器人收集到的資訊。
在程式設定上，研究團隊透過光脈衝為機器人編寫程式碼，每一台機器人都擁有獨立位址，能載入不同程式，使研究人員能為不同機器人指派不同任務。David Blaauw 表示，「這為各種應用情境打開了大量可能性，每一台機器人都能在更大規模的協同任務中，扮演不同角色」，也為未來多機協作的微型系統鋪路。
由於使用太陽能供電並採取極低功耗設計，這些微型機器人的自主運作時間可長達數月。研究團隊表示，目前的測試樣機主要搭載溫度感測器，但未來若要更換為其他類型的感測器並不困難。
此外，在製造成本上，研究人員也指出，這些完全可程式化、自主運作的微型機器人具備大規模、低成本生產的潛力，目標是將單顆成本壓低至 1 美分。「這其實只是第一章，」 Marc Miskin 說，「我們已經證明可以把大腦、感測器和馬達裝進一個幾乎肉眼無法看到的微小裝置裡，讓它存活並工作數月之久，因此一旦有了這個基礎，就可以疊加各種智慧和功能，這將為微型機器人技術開啟一個全新的未來。」
＊本文開放合作夥伴轉載，資料來源：《Tom’s Hardware》、Penn Engineering，首圖來源：Penn Engineering
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