近几十年来，人类一直梦想着创造出能进入我们血管里治病的微型机器人。但一个残酷的现实是：越小越笨。当机器人缩小到毫米以下，它要么得像提线木偶一样被外部控制，要么就只能执行最简单、最死板的动作。
美国宾夕法尼亚大学及密歇根大学的研究者们最近干了一件有点疯狂的事。他们国际顶刊《Science Robotics》上发表的研究，成功构建出了尺寸与草履虫相当的微型机器人，长宽大约是340微米和210微米，厚度只有50微米，差不多就是句号的大小。
真正疯狂的不是尺寸，而是它在这个尺寸里，放进去了一台能自主思考的微型电脑，能够利用机载计算、感知、记忆、运动和通信系统进行感知、思考和行动，并在不确定的环境中协同工作，不需要人工干预就可以完成任务。
▍微米级“缩地术”：如何把电脑塞进细胞大小空间？
将智能机器人缩小到细胞级别，是工程学上的巨大挑战。当尺寸缩减时，传统芯片的漏电问题呈指数级加剧，能量收集和存储变得极其困难，动力系统的效率也大幅下降。
这个困行业四十多年的瓶颈，其实大自然早已给出了解决方案。在微观世界中，单细胞生物如草履虫虽然没有中枢神经系统，却能通过细胞膜上的受体感知环境变化，并做出相应反应。
受此启发，研究团队采用了一种全新的设计哲学：不是简单地缩小现有机器人部件，而是从头构建一套符合微观世界物理规律的全新体系。
他们采用标准的55纳米互补金属氧化物半导体工艺，在一枚尺寸仅为210×340×50微米的芯片上，集成了完整的机器人系统。这个系统包括：
- 能量心脏：微型光伏电池，将光能转化为约100纳瓦电能，约为普通计算器功耗的万分之一）；
- 微型大脑：定制的11位处理器，包含32项11位指令存储和16项8位数据存储单元，能够在极低功耗下运行定制算法；
- 感官系统：高精度温度传感器，能以0.3°C的分辨率感知周围环境变化；
- 运动器官：四个电极驱动的电动力推进系统，通过调节电场方向控制机器人在液体中的运动；
- 通信窗口：光接收器，通过特定光信号接收程序指令。
微型机器人电路概览
这就像一个完整的微缩城市，每个功能区都被精心规划在最合理的位置，最大限度地利用有限的面积和能量预算。
▍核心突破一：在微观芯片上实现神经与身体的共融
这项研究的基石，是在同一块细胞大小的硅片上，同时实现了机器人的大脑（计算与通信）与身体（推进与执行）。
大脑，就是一个为微观世界定制的自主计算机。团队设计的核心是一套11位的专用指令集计算机。它最大的创新在于，将“感知温度并存储”或“按特定波形运动”等复杂的机器人任务，压缩为单条指令。这使得机器人能在仅约16纳瓦的超低功耗下，运行包含32条指令的程序，处理来自传感器的数据，并做出决策。
编程方式也极为精巧。一束光同时充当了电源线和网线。机器人能识别光信号中的特定“密码”，接收新指令。程序一旦载入，它便进入完全自主状态，不再需要任何外部控制线或电池。
身体，则是一套高效、可控的动力执行系统。机器人的身体由四个微电极驱动。通过编程改变电极的极性，能在周围液体中产生不同的电场，从而推动机器人实现前进、旋转、画弧等14种基础运动，速度达到3至5μm/s。这种电动力推进方式无需活动部件，与芯片制造工艺完美兼容，稳定且可靠。
可重新编程的运动
▍核心突破二：从能执行到会反应的智能闭环
仅仅能“动”还不够，真正的智能体现在能感知并自主反应。这正是此项研究超越前作的标志性突破。
研究人员为机器人集成了高精度温度传感器，分辨率达0.3℃。更重要的是，他们通过编程，将传感器的读数与运动指令直接挂钩，创造了微观机器人的条件反射。
在“温度梯度攀爬”实验 中，这种能力得到了生动体现：机器人被赋予简单的逻辑——寻找更温暖的地方。
当传感器感到变冷时，它自主启动弧形运动进行探索。一旦游到更温暖区域，便立即切换为原地旋转，标志着已找到目标。整个过程完全自主，无需任何外部遥控。
这证明，机器人已能根据环境实时数据，在不同行为模式间智能切换，实现了从被动执行到主动适应的跨越。
由传感器反馈控制的运动
▍从实验室到现实：改变游戏规则的未来应用
这种具有完全自主性的微型机器人打开了一系列令人兴奋的应用可能性。每台机器人的制造成本极低，大规模生产后可能仅为0.01美元，使其具备了广泛部署的经济可行性。
医疗领域将首当其冲被变革。想象未来，成千上万个微型机器人作为“靶向药物快递员”被注入人体。它们能根据肿瘤部位的微酸环境或特定温度变化，在精确位置释放药物，极大提高疗效并减少副作用。它们甚至可能执行微观手术，直接清除血管中的微小斑块。
在精密制造领域，这些机器人可以进入传统工具无法触及的微管道、芯片内部结构或发动机叶片冷却通道，执行高分辨率检测，提前发现微裂纹或堵塞问题；在科研中，它们可被部署于微流控芯片，实时监测细胞培养环境的参数变化；在环境保护中，它们能深入土壤孔隙或水体微区域，收集传统传感器无法获取的局部数据。
这项技术还为微观尺度下的群体协作奠定了基础。通过简单的“密码”区分，不同机器人可被分配不同任务。
▍未来：微型机器人的下一步升级
尽管取得了突破性进展，这项技术仍面临诸多挑战。目前的运动速度仍然较慢，能源效率有待提高，机器人与外部世界的交互方式也需要进一步扩展。
研究团队已经规划了清晰的技术路线。
采用更先进工艺，将内存容量提升百倍，支持更复杂程序；开发新型执行器，研究电化学等新型驱动方式，提高运动效率和可控性；集成更多传感器，将多种传感功能融合到单一芯片平台；探索新型通信方式，研究化学信号、微弱电场等更适合微观环境的通信手段。
正如马克·米斯金教授所展望的，这仅仅是微观自主智能时代的开端。他和团队相信，未来的微观机器人群落将具备更复杂的能力，在人体内、工业系统中乃至更遥远的空间里，去执行那些我们今天难以想象的任务。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adu8009
