如果你看過(guò)科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage），一定不會(huì)忘記那艘縮小后進(jìn)入人體血管的潛水艇。幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直在夢(mèng)想創(chuàng)造出能進(jìn)入人體內(nèi)部、修補(bǔ)細(xì)胞的微型機(jī)器人。

近日，來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)和密歇根大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)期刊 Science Robotics 上發(fā)表了一項(xiàng)成果。他們成功研制出世界上最小的、全自主且可編程的微型機(jī)器人：長(zhǎng)約 300 微米，寬 200 微米，厚度僅為 50 微米，比一粒鹽還小，卻集傳感器、計(jì)算機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)于一身，每顆成本僅一美分。更重要的是，它們不需要外部磁控、不需要線纜牽引，靠一束 LED 光就能存活數(shù)月，自己感知環(huán)境、做出決策。

“我們已經(jīng)將自主機(jī)器人的尺寸縮小了 1 萬(wàn)倍，”賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院電氣與系統(tǒng)工程系助理教授、論文資深作者 Marc Miskin 說(shuō)。“這為可編程機(jī)器人開(kāi)辟了一個(gè)全新的尺度。”

（密歇根大學(xué)）

幾十年來(lái)，電子產(chǎn)品的體積越做越小，但機(jī)器人的微型化進(jìn)程卻步履維艱。“制造尺寸在毫米級(jí)以下且能獨(dú)立運(yùn)行的機(jī)器人極具挑戰(zhàn)性，”Miskin 坦言，“該領(lǐng)域已經(jīng)被這個(gè)問(wèn)題困擾了整整 40 年。”

那么，為什么造一個(gè)小機(jī)器人這么難？答案是：物理法則變了。

在人類所處的宏觀世界中，重力和慣性等力量主導(dǎo)著物體的運(yùn)動(dòng)。然而，當(dāng)尺度縮小到細(xì)胞級(jí)別時(shí)，與表面積相關(guān)的力，如阻力和粘滯力便占據(jù)了主導(dǎo)地位。

換言之，在微觀尺度下，肢體驅(qū)動(dòng)等適用于大型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)策略幾乎失效。極其微小的機(jī)械臂不僅容易折斷，制造起來(lái)也異常困難。因此，團(tuán)隊(duì)必須設(shè)計(jì)一套全新的推進(jìn)系統(tǒng)，一套順應(yīng)而非對(duì)抗微觀領(lǐng)域獨(dú)特物理法則的系統(tǒng)。

就像大型水生動(dòng)物（如魚類）通過(guò)向后推水獲得向前的反作用力，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)一樣。這種新型機(jī)器人不需要擺動(dòng)身體，它們先產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，推動(dòng)周圍溶液中的離子。這些離子進(jìn)而推動(dòng)附近的水分子，使機(jī)器人周圍的水流動(dòng)起來(lái)。“這就好比機(jī)器人身處一條流動(dòng)的河流中，但這流動(dòng)的河水卻是由機(jī)器人自己制造的。”Miskin 解釋道。

機(jī)器人可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生這種效應(yīng)的電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，甚至能像魚群一樣協(xié)調(diào)編隊(duì)，以每秒一個(gè)身長(zhǎng)的速度前行。

由于產(chǎn)生電場(chǎng)的電極沒(méi)有任何活動(dòng)部件，這些機(jī)器人極其耐用。“你可以用微量移液管將它們反復(fù)從一個(gè)樣本轉(zhuǎn)移到另一個(gè)樣本中，而不會(huì)對(duì)其造成損傷，”Miskin 說(shuō)。在 LED 光源的照射下，它們可以持續(xù)游動(dòng)數(shù)月之久。

圖 | 微型機(jī)器人電路概覽（Science Robotics）

但要實(shí)現(xiàn)真正的自主，機(jī)器人需要一個(gè)大腦來(lái)進(jìn)行決策，需要電子設(shè)備來(lái)感知環(huán)境并控制推進(jìn)，還需要微型太陽(yáng)能電池板來(lái)提供能源，而所有這些組件，都必須集成在一塊不足毫米大小的芯片上。這正是密歇根大學(xué) David Blaauw 團(tuán)隊(duì)大顯身手的地方。

Blaauw 的實(shí)驗(yàn)室保持著“世界最小計(jì)算機(jī)”的紀(jì)錄。五年前，當(dāng) Miskin 和 Blaauw 在國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）舉辦的一次演講中初次相遇時(shí)，兩人立刻意識(shí)到他們的技術(shù)簡(jiǎn)直是天作之合。“我們發(fā)現(xiàn)，賓夕法尼亞大學(xué)的推進(jìn)系統(tǒng)和我們的微型電子計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)直是為彼此量身定做的，”Blaauw 回憶道。盡管如此，雙方仍歷經(jīng)了五年的艱苦攻關(guān)，才造出了第一臺(tái)可工作的機(jī)器人原型。

“電子系統(tǒng)面臨的核心挑戰(zhàn)在于太陽(yáng)能電池板太小了，只能產(chǎn)生 75 納瓦的功率，比智能手表的功耗低了 10 萬(wàn)倍以上。”為了讓機(jī)器人的計(jì)算機(jī)在如此微弱的功率下運(yùn)行，密歇根團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了極其低壓的專用電路，將計(jì)算機(jī)的功耗降低了 1,000 倍以上。

即便如此，太陽(yáng)能電池板還是占據(jù)了機(jī)器人的大部分空間。因此，第二個(gè)挑戰(zhàn)是如何在僅剩的微小空間內(nèi)塞進(jìn)處理器和存儲(chǔ)程序所需的內(nèi)存。“我們必須徹底重新構(gòu)思計(jì)算機(jī)指令，”Blaauw 說(shuō)，“我們將傳統(tǒng)上需要多條指令才能完成的推進(jìn)控制壓縮為一條特殊的指令，以此縮減程序長(zhǎng)度，使其能裝入機(jī)器人極小的內(nèi)存空間中。”

正是這些創(chuàng)新，造就了首款真正能思考的亞毫米級(jí)機(jī)器人。據(jù)研究人員所知，此前從未有人將真正的計(jì)算機(jī)，包含處理器、內(nèi)存和傳感器植入如此微小的機(jī)器人體內(nèi)。這一突破使它們成為首批能夠獨(dú)立感知并采取行動(dòng)的微型機(jī)器人。

作為首款集成了處理器、內(nèi)存、傳感器和制動(dòng)器的亞毫米級(jí)機(jī)器人，其應(yīng)用潛力不可估量。

首先，憑借與生物細(xì)胞相當(dāng)?shù)某叽纾鼈冇型麧撊肴梭w內(nèi)部，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單個(gè)細(xì)胞的健康狀況（如通過(guò)溫度反映細(xì)胞代謝活性），甚至進(jìn)行靶向給藥；其次，通過(guò)編程，成群的微型機(jī)器人可以像魚群一樣協(xié)同工作，在微觀尺度上組裝復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)。

目前，該機(jī)器人被視為一個(gè)通用的技術(shù)平臺(tái)。未來(lái)版本的機(jī)器人將能夠存儲(chǔ)更復(fù)雜的程序，移動(dòng)速度更快，集成新型傳感器，或在更嚴(yán)苛的環(huán)境中作業(yè)。

1.Maya M. Lassiter et al. ,Microscopic robots that sense, think, act, and compute.Sci. Robot.10,eadu8009(2025).DOI:10.1126/scirobotics.adu8009

2.https://futurism.com/future-society/robot-small-travel-human-body

3.https://interestingengineering.com/ai-robotics/worlds-smallest-autonomous-microrobots

4.https://news.engin.umich.edu/2025/12/worlds-smallest-programmable-robots-perform-tasks/