在德國開姆尼茨工業大學的實驗室里，一群僅有米粒大小的機器人正在水中上演著一場精妙的協同舞蹈。它們時而浮起，時而下沉，彼此之間通過閃爍的光信號傳遞信息，仿佛在用一種只有它們才懂的語言交談。這不是科幻電影的場景，而是科學家們最新研發的智能微型機器人——“smartlets”的真實表現。這一命名結合了smart（智慧）和-let（小）兩個含義，我們不妨稱它為“微智寶”。

分布式智能微機器?“smartlets”

（開姆尼茨工業大學）

折紙靈感+硅芯片=會自己“疊”出來的機器人

這項近期發表在《科學·機器人學》期刊上的研究成果，來自開姆尼茨工業大學材料、架構和納米膜集成研究中心（MAIN）的科研團隊。研究人員從折紙藝術中獲得靈感，讓原本是平面的電子系統能夠自主卷曲并折疊成中空的微型立方體。每個微智寶的邊長僅有約1毫米，卻集成了太陽能收集器、計算單元、光信號系統等多種功能組件。

這種三維結構的巧妙之處在于，它極大地擴展了可用表面積。立方體的內外表面都被充分利用：八條邊緣上布置著卷曲的有機太陽能電池，為整個系統提供能源；內部表面裝載著硅芯片、微型LED燈和光電探測器；外部表面則預留給未來的對接和組裝功能。當陽光照射時，無論微智寶處于何種姿態，總有部分太陽能電池能夠接收到光照，實現了真正的全方位能量收集。別看它小，這種設計讓每個微智寶能夠產生高達37.5微瓦的功率，足以支撐其全部功能運轉。

智能微型機器人制造流程示意圖

步驟包括：(i) 創建軟質聚合物主體；(ii) 金互連層；(iii) 沉積用于氣泡發生器（BGEs）的鉑和鎳；(iv) 微型有機太陽能電池（μ-OSC）和微型有機光電二極管（μ-OPD）制造的中間步驟，包括陽極、電子傳輸層、光活性聚合物、空穴傳輸層和金接觸層；(v) 制備銅/錫凸點；(vi) 鍵合微型LED和硅微芯片；(vii) 在剛性面上選擇性涂覆SU-8聚合物鈍化層；(viii) 卷曲微型有機太陽能電池；最后 (ix) 自組裝折疊成立方體。

（參考文獻1）

像潛水艇一樣上下浮沉，靠的是“造泡泡”

微智寶最引人注目的能力之一，是它在水中的自主運動。其秘訣在于，研究團隊在機器人內部設計了巧妙的氣泡發生器，通過電解水，產生氫氣和氧氣氣泡。這些氣泡在機器人中空的內部聚集，改變它的浮力，使其能夠像潛水艇一樣在水中自由升降。

當搭載的微型處理器接收到特定的光信號指令后，它會啟動電解程序：產生的氣泡逐漸充滿內部空腔，微智寶便會優雅地上浮到水面。停止產生氣泡后，殘余的氣體會慢慢溶解在水中，機器人又會緩緩下沉。整個過程完全自主，無需任何外部控制線纜或磁場操控，真正實現了無線自由。這種運動方式不僅節能高效，而且具有良好的可控性，通過調節氣泡產生的速率和時長，可以精確控制微智寶的運動軌跡。

包含智能微型機器人的線性帶材，通過光刻工藝制造并平行自組裝，除了現在半自動化的試點串行芯片和LED鍵合工藝外，這種平面工藝可以像LED組裝一樣高效地縮放到微觀尺寸。

（參考文獻1）

用光“群聊”，機器人之間也能“對暗號”

在如此小的尺度上，如何實現機器人之間的通信是一大難題。傳統的無線電波通信需要相對較大的天線，而smartlet采用了一種更加精巧的方案——光通信。每個微智寶都配備了不同顏色的微型LED燈作為發射器，以及光電二極管作為接收器。

這套光通信系統的工作原理類似于摩爾斯電碼。當一個微智寶需要向同伴發送指令時，它會通過LED燈發出特定頻率和模式的光脈沖。接收方的光電探測器捕捉到這些信號后，內置的微處理器會將其解碼成具體的指令。實驗顯示，在4毫米范圍內，微智寶之間可以以1到1000赫茲的頻率傳輸數據，這對于協調集體行為來說已經綽綽有余。

更妙的是，通過使用不同的通信頻率和獨特的身份識別碼，研究人員可以選擇性地控制群體中的特定個體。在實驗中，當以200赫茲頻率發送指令時，只有設定接收該頻率的微智寶會響應并開始運動，而其他機器人則保持靜止。這種精確的個體尋址能力為構建復雜的機器人集群系統奠定了基礎。

相遇之后自動拼接？表面張力在幫忙

除了獨立運動和通信，微智寶還展現出了令人驚嘆的自組裝能力。研究團隊在立方體的外表面設計了特殊的親水-疏水圖案，就像是給每個面貼上了獨特的“條形碼”。當兩個微智寶在水中相遇時，如果它們的表面圖案互補匹配，就會在表面張力的作用下自動吸引并對接在一起。

這種自組裝過程融合了主動運動和被動吸引兩種機制。首先，微智寶們通過氣泡驅動上浮到水面，在那里它們更容易相遇。當兩個機器人靠得足夠近時，水的表面張力會將它們拉到一起。如果表面圖案匹配，它們就會穩定地連接；如果不匹配，則會相互排斥。通過精心設計表面圖案，研究人員成功地讓多個微智寶自組裝成了字母T、U、C等形狀，展示了這項技術在構建復雜結構方面的潛力。

這種自組裝能力的意義遠不止于簡單的形狀拼接。在未來，不同功能的微智寶可以根據任務需求自主組合，形成具有特定功能的機器人集群。比如，配備傳感器的微智寶可以與具有強大計算能力的微智寶對接，共同完成復雜的環境監測任務。

微智寶組裝成字母"T"、"U"和"C"。兩個或三個智能微型機器人的線性自組裝基元與橫向放置的智能微型機器人結合，通過自組裝對接完成結構

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精打細算的能量管理：陽光就是它們的電池

微智寶的能量管理系統展現了工程設計的精妙之處。整個系統的功率預算被嚴格控制在微瓦級別，每個組件的能耗都經過精心優化。微型有機太陽能電池在標準光照條件下能夠產生最高37.5微瓦的功率，而系統的總功耗在16到33微瓦之間浮動，這種精確的能量平衡確保了機器人的持續運行。

核心的CMOS微處理器采用了180納米工藝制造，具有兩種工作模式：睡眠模式下功耗僅為0.16到0.25微瓦，活躍模式下也只需4.0到6.3微瓦。這種超低功耗設計源于一種被稱為“lablet”的特殊芯片架構，它是研究團隊專門為微型機器人開發的。芯片內部集成了58位的移位寄存器，可以存儲復雜的程序指令，控制機器人的各種行為序列。通過時序電路的精確控制，處理器能夠協調LED通信、氣泡發生器和傳感器的工作，同時將功耗維持在極低水平。

氣泡發生器的電解過程是主要的能量消耗者，運行時需要10到25微瓦的功率。為了優化能效，研究團隊在電極表面分別鍍了鉑和鎳催化層，顯著降低了電解所需的過電位。當功率供應不足時，系統會自動降低電解速率而不是完全停止，確保其他關鍵功能如通信和計算仍能正常運行。這種優雅的降級策略讓微智寶即使在光照較弱的環境中也能維持基本功能。

材料科學的精密編排：從二維到三維的魔法

微智寶的制造過程融合了多種先進的微納加工技術，其復雜程度堪比現代集成電路的制造。整個過程包含超過60個工藝步驟，每一步都需要納米級的精度控制。基底材料采用了多層聚合物堆疊結構，包括光敏聚酰亞胺剛性層、水凝膠鉸鏈層和犧牲層，總厚度不超過5微米。

自折疊過程的關鍵在于應力工程的巧妙應用。研究團隊通過在不同材料層中引入預應力，創造了可控的形變驅動力。當犧牲層被選擇性溶解后，預應力的釋放會驅動平面結構自發卷曲和折疊。有機太陽能電池部分會卷成直徑約200微米的管狀結構，而連接各個面的鉸鏈則會精確折疊成90度角。整個自組裝過程在堿性溶液中進行，pH值的精確控制（從6調節到9）決定了折疊速度和最終形態的穩定性。

特別值得一提的是芯片與柔性基底的連接技術。傳統的導電膠粘接方法電阻較大且可靠性有限，研究團隊創新性地將固液互擴散（SLID）焊接技術應用到超薄聚合物薄膜上。通過電鍍形成10微米厚的銅層和5微米厚的錫層，在真空回流過程中形成穩定的焊點，不僅降低了接觸電阻，還能承受折疊過程中的機械應力。這種微米級的焊接技術確保了140微米見方的硅芯片能夠可靠地集成到柔性系統中，為實現復雜的電子功能提供了堅實基礎。

從實驗室到現實：無限可能的應用前景

微智寶的誕生不僅是微型機器人技術的重大突破，更為許多實際應用開啟了大門。在醫療領域，這些生物相容的微型機器人可以在人體內進行精準的藥物遞送或微創診斷。它們可以通過血管到達病灶部位，根據局部環境的化學信號自主釋放藥物，或者收集組織樣本用于檢測。

在環境監測方面，成千上萬的微智寶們可以被釋放到湖泊、河流或海洋中，形成一個分布式的傳感網絡。每個機器人都可以檢測水質參數、污染物濃度或微生物活動，通過光信號將數據傳遞給附近的同伴，最終匯總成完整的環境狀況圖。這種方法比傳統的定點監測站更加靈活和全面，可以追蹤污染源的擴散路徑，及時發現環境異常。

研究團隊已經在過濾后的天然湖水中成功測試了微智寶的各項功能，證明它們能夠在真實的水環境中穩定工作。盡管目前的原型還需要依靠光照提供能量，但研究人員正在探索集成化學能源或其他能量采集方式，以擴展微智寶的應用范圍。

邁向智能集群的未來

微智寶的成功研發標志著微型機器人技術進入了一個新時代。這些機器人不再是簡單的執行器，而是具備了感知、思考、交流和協作能力的智能體。它們的出現讓人聯想到自然界中的群居生物，如蟻群、蜂群或者海洋中的管水母群落。每個個體雖然簡單，但通過協作可以完成遠超個體能力的復雜任務。

研究團隊的下一步計劃是進一步提升微智寶的自主性和智能水平。他們正在開發化學和聲學傳感模塊，讓機器人能夠感知更多類型的環境信息。同時，通過優化微處理器的程序，微智寶將能夠執行更復雜的決策和學習算法。未來的微智寶甚至可能具備一定的適應性和進化能力，根據環境變化調整自己的行為策略。

從更長遠的角度看，這項技術可能會推動一個全新研究領域的誕生——“微型機器人生態學”。當大量具有不同功能的微智寶在同一環境中共存時，它們之間會形成復雜的相互作用網絡，就像一個人工的微觀生態系統。研究這個系統的運行規律，不僅能夠幫助我們更好地設計和控制機器人集群，也可能為理解生命系統的組織原理提供新的視角。

微智寶的故事才剛剛開始。這些在水中翩翩起舞的微型機器人，正在用它們獨特的方式詮釋著智能與協作的真諦。它們讓我們看到，即使是最微小的個體，通過巧妙的設計和精密的協作，也能創造出令人驚嘆的集體智慧。在不久的將來，當這些微型機器人真正走出實驗室，進入我們的生活時，它們將以我們意想不到的方式，改變這個世界。

參考文獻：

Yeji Lee et al. ,Si chiplet–controlled 3D modular microrobots with smart communication in natural aqueous environments.Sci. Robot.10,eadu6007(2025).DOI:10.1126/scirobotics.adu6007

出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

監制：中國科普博覽