研究人员将电子“大脑”搭载在行走的微型机器人上

康奈尔大学的一组研究人员成功地在一个由太阳能驱动的智能微型机器人上安装了“大脑”。

 

包含CMOS成品的硅片，即微珠的“大脑”。图片由康奈尔大学提供

 

这些微珠的尺寸从100微米到250微米，几乎相当于一根头发的宽度。虽然这种尺寸的机器人通常由外部控制，但康奈尔大学的原型包括一个板载电路来控制运动。

 

创建无线步行机器人

近年来，康奈尔大学的研究人员开发出了可以爬行、行走、游泳和弯曲的微型机器。然而，这些微珠的运动是由导线或聚焦的激光束决定的。

康奈尔大学文理学院物理学教授Itai Cohen召集了一组研究人员，寻找消除外部控制的方法，使微珠能够自行自由移动。过去，研究人员很难在没有引线键合和多芯片堆叠的情况下将微型机器人扩展到微米级。典型的CMOS电路包括用于不同功能的各种引线键合，但这增加了IC的深度、高度和重量，使其难以按比例缩小。另一个主要挑战是异质集成CMOS集成电路和微致动器，成为一个单一的、功能齐全的机器人。

康奈尔大学的研究人员将表面电化学致动器（SEA）和硅光伏（PV）相结合来克服这些挑战。一旦从CMOS电路接收到电压信号，氧分子就会附着并膨胀到层上，导致致动器弯曲机器人的腿。

 

“大脑”与微型机器人的制造

康奈尔大学的研究人员声称，微型机器人的“大脑”是一个简单的CMOS时钟电路，它实现了晶体管、二极管、电阻器和电容器的阵列。该集成电路产生一个信号，产生一系列相移的方波频率，控制机器人的步态。在测试阶段，几个微珠可以每秒移动4到20微米。

 

上面显示的是团队遇到的光刻的不同阶段。最终产品允许机器人的腿通过暴露的铂接地电极独立移动。图片由康奈尔大学提供

 

研究小组克服的最后一个障碍是制造过程。这一过程需要13层光刻、12次蚀刻和11次来自10种不同材料的沉积。利用康奈尔大学的纳米科学技术设施（CNF），研究人员最终完成了一块8英寸的绝缘体上硅晶片。有了这个晶片，微型机器人的光伏电源和CMOS时钟电路不会干扰机器人的腿部运动。

 

太阳能为微型机器人提供动力

有了两对基于光伏的电源，微型机器人有了用于腿部运动和时钟电路的专用电源。CMOS时钟电路由一个张弛振荡器组成，该振荡器用作时钟输出和频率驱动器。频率驱动器包括一系列D型触发器，这些触发器将脉冲转换为50%的占空比，使机器人能够轻松地在每个输出引脚上发送信号。

 

即使有车载电路，康奈尔大学的微型机器人也只有一根头发的宽度。截图由康奈尔大学提供

 

在测试阶段，康奈尔大学的研究人员发现^2.在连续光强下，微珠的速度达到12μm/s，每分钟行进约3个体长。虽然研究人员本可以通过将输入频率提高到4赫兹来提高速度，但该团队将工作频率保持在1到2赫兹之间，这样微珠就不会在平坦的表面上滑动。

 

微生物在清洁、监测甚至手术方面的潜力

康奈尔大学的研究人员认为，这些微珠可以用于环境清理、医疗物质监测和显微镜手术。例如，这些微型机器人可能被用作伤口愈合和组织形态发生的智能机器人。

康奈尔大学的研究人员正在寻求将机器学习算法结合起来，以便微型机器人能够独立学习和适应。该团队希望在未来的研究中，通过更复杂的任务和基于人工智能的算法来扩展微型机器人家族。