微納機械人因其微小的尺寸（通常在 100 微米甚至更小）而備受關注。基於這種尺寸優勢，利用半導體工藝能夠在一個較大的硅片上製造出上百萬個微納機械人，從而極大地降低了單個器件的成本。
然而不可忽視的是，微小的尺寸也帶來了功能上的限制，由於面積有限，難以在單個機械人上集成多個功能模塊。因此，如何控制大規模微納機械人集群成為亟待突破的瓶頸之一。
美國康奈爾大學團隊聚焦於這一問題，通過在微納機械人之間建立信號傳遞機制，使每個機械人能夠感知周圍機械人的信息並進行信息交互，從而實現了協同工作。
具體而言，每個機械人都配備了一個與其運動同步的時鐘信號。當其時鐘信號震蕩時，它會向周圍的機械人傳輸信號。周圍的機械人感知到信號後，會調整自身的時鐘信號，以與發送信號的機械人保持一致。最終，通過這種協調彼此運動步調方的式實現集體時鐘信號同步。
在電控微納機械人領域，此前的研究大多數集中在單個機械人的簡單運動控制上。
該論文共同第一作者、康奈爾大學王偉博士（現任西湖大學助理教授）表示，該研究首次證明了通過信息傳遞，電控微納機械人能夠實現大規模的集群協同運動，並展示了其強大的魯棒性。
圖丨王偉（來源：王偉）
該技術不僅為電控微納機械人領域提供了新的思路和方法，也為未來大規模微納機械人集群的應用奠定了技術基礎。
該研究中的精準的控制能力，可應用於那些將多個小型機械人模塊組合成一個大型機械人（類似自然界的千足蟲）。大型機械人在拆分後，每個小型機械人仍能獨立工作，類似於蚯蚓被切成數段後仍能獨立存活。
更長遠地來看，該研究為機械人集群的協同工作奠定了基礎。例如，未來如果能夠實現無線信號傳輸，機械人之間將不再需要物理連接線，而是通過小型發光二極管（LED，Light-Emitting Diode）等設備進行信號傳遞和協同。
圖丨微尺度機械人的可擴展同步（來源：Science Robotics）
此外，研究人員正在嘗試在機械人上集成多種實用功能，例如加入可編程電路，並集成溫度傳感器，應用於檢測和精準定位人體中的腫瘤細胞。
王偉表示：「我們將探索讓大量微納機械人同步處理多個目標，比如腫瘤細胞的可能性。通過高效的信號傳輸，它們有望更有效地完成任務。」
日前，相關論文以《通過局部電子脈衝耦合實現自主微型機器的協調行為》（Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling）為題發表在 Science Robotics[1]。
康奈爾大學米拉德·塔哈維（Milad Taghavi）博士擔任共同一作兼通訊作者，王偉博士是共同一作。
圖丨相關論文（來源：Science Robotics）
在另一項工作中，該課題組對微型人造纖毛的流體驅動進行了深入探索。王偉設計了一種微納機械人腿部機械結構，使其能夠通過兩個獨立的信號進行控制。通過改變這兩個信號的轉換，實現腿部驅動方向的調整。
「我們利用電壓信號控制纖毛運動來產生流場，通過改變電壓信號從而隨時調控流體的運動方向。」王偉說。
圖丨 Lab on a Chip 當期封面論文（來源：Lab on a Chip）
在該團隊此前的工作中，儘管在人造纖毛能夠驅動流體（DeepTech 此前報道：中國科學家構建微米級人造纖毛超表面，首次將納米驅動器與電路集成於 300 微米芯片，實現陽光驅動可編程微流控），但無法控制單個纖毛產生流體的運動方向。
在這次的研究中，研究人員進一步改進了纖毛結構的流體驅動能力。通過引入新的自由度，機械人的腿部結構能夠更有效地控制流體的方向，最簡單的情況是可以控制流體向前、向後或停止流動。
王偉指出，這種設計的優勢在於可以將多個腿部結構組成陣列，並且每個腿部都可以獨立控制其流體方向。在高集成度的情況下，這種能力為未來將其與集成電路結合，來實現更複雜的功能提供了巨大的潛力。
此外，該技術還可以將微納機械人集成到傳統微流控芯片中，在幾十微米的小區域內實現多樣化的流體流動模式，從而調控局部的化學環境。研究人員還探索了微納機械人在溫度調控方面的應用，通過結合傳感器和控制機制，機械人可以在局部區域感知溫度變化並且做出響應，為未來的應用提供了更多可能性。
圖丨掃描電子顯微鏡圖像和鉸鏈纖毛的泵浦機制（來源：Lab on a Chip）
從應用方向來看，該研究中的微納機械人在尺度和功能與自然界纖毛的驅動流體功能相似。因此，微納機械人不僅可以與現有的微流控技術結合，還可以在生物醫學領域發揮重要作用。
其未來的潛在應用方向之一是將人造纖毛用於生物醫學領域，例如替換或修復受損的自然纖毛，從而在人體或動物體內實現類似的功能。這種生物應用不僅拓展了微納機械人的使用場景，還可能實現一些目前難以實現的功能。
日前，相關論文以《基於電子驅動的鉸鏈式人工纖毛實現高效雙向泵送》（Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping）為題發表在 Lab on a Chip，並被選為當期封面 [2]。
王偉博士是第一作者兼通訊作者，康奈爾大學伊泰·科恩（Itai Cohen）教授擔任共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Lab on a Chip）
目前，王偉已入職西湖大學成立獨立課題組，並擔任助理教授，博士生導師，主要研究方向為智能微納機械人。
他計劃在前期工作基礎上，繼續探索各種微型致動器的性能優化，以開發出性能更加以及有更多應用環境的致動器。另一方面，他還將重點關注微納機械人在機械和力學方面的應用，尤其是與生物醫學相關的場景。
「目前，我正在和西湖大學的老師們進行跨學科合作，通過將集成電路與微型致動器相結合，希望設計出具備更多功能的微型機械人，實現更廣泛的應用場景。」王偉說。
參考資料：
1.Milad Taghavi, Wei Wang et al. Coordinated behavior of autonomous microscopic machines through local electronic pulse coupling. Science Robotics 9, 96(2024). DOI: 10.1126/scirobotics.adn80
2.Wei Wang et al. Electronically actuated artificial hinged cilia for efficient bidirectional pumping. Lab on a Chip 24, 4549(2024). DOI: 10.1039/d4lc00513a
3.https://www.westlake.edu.cn/faculty/wei-wang.html
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