由气泡和超声波推动的微型机器人

康奈尔大学的研究小组由明明吴创造了细胞大小的机器人，可以通过超声波来驱动和操纵。尽管体积很小，但这些微型机器人游泳者——其运动灵感来自细菌和精子——有一天可能成为靶向药物输送和其他敏感应用的强大新工具。

十多年来，吴的实验室一直在研究微生物的方式，从细菌到细菌癌症细胞它们迁徙并与环境交流。最终目标是创造一个可以在人体内导航的远程控制微型机器人。

“现在我们可以造出比鸟更好的飞机。但在最小的尺度上，在很多情况下大自然比我们做得好得多。例如，细菌已经进化了数十亿年，以完善它们做事的方式，”吴说。“这让我们想到，我们实际上可以设计出类似的东西。如果你能把药物送到目标区域，比如癌细胞，那么你就不会有那么多副作用。”

他说，细菌可以在一秒钟内游过其体长的10倍，而精子可以逆着水流游动，这是它们更巧妙的特性之一。

吴的研究小组最初试图设计和3d打印一个微型机器人，模仿细菌利用鞭毛推动自己的方式。然而，就像早期飞行员笨重的飞机太像鸟而无法飞行一样，这一努力失败了。当罗加入吴的实验室时，他们开始探索一种不那么字面化的方法。主要的障碍是如何为它提供动力。就像人在能行走之前必须要爬行一样，微型机器人在能游泳之前也需要充电。

“细菌和精子基本上消耗周围液体中的有机物质，这足以为它们提供能量，”吴说。“但对于工程机器人来说，这很困难，因为如果它们携带电池，电池就太重了，它们无法移动。”

该团队突然想到了使用高频声波的想法。因为超声波是安静的，它可以很容易地在实验实验室环境中使用。作为额外的奖励，这项技术已经被美国食品和药物管理局认为是安全的临床研究。

然而，该团队被制造过程难住了。与…一起工作康奈尔纳米科学与技术研究所(CNF)，罗试图用光刻技术创建一个原型，但这很耗时，而且结果无法使用。

当CNF购买了一种名为NanoScribe的新型激光光刻系统后，该项目得到了至关重要的推动，该系统通过直接在光敏树脂上刻写来创建3D纳米结构。这项技术使研究人员能够轻松地在微米尺度上调整他们的设计，并快速产生新的迭代。

在六个月内，罗创造了一个三角形的微型机器人游泳者，看起来像一只昆虫和一艘火箭飞船。游泳者最重要的特征是背部有一对蚀刻的空洞。因为它的树脂材料是疏水性的，当机器人被浸入溶液中时，一个微小的气泡会自动被困在每个空腔中。当超声波换能器对准机器人时，气泡就会振荡，产生涡流——也被称为流流——推动游泳者前进。

其他工程师此前也曾制造过“单泡”游泳器，但康奈尔大学的研究人员率先开发了一种使用两个气泡的版本，每个气泡在各自的腔中有不同直径的开口。通过改变声波的共振频率，研究人员可以激发其中一个气泡，或者将它们调到一起，从而控制游泳者被推进的方向。

未来的挑战将是使游泳者具有生物相容性，这样他们就可以在与他们大致相同大小的血细胞中导航。未来的微型游泳器还需要由可生物降解的材料组成，这样就可以一次派出许多机器人。就像只有一个精子才能成功受精一样，精子的数量是关键。

“为了运送药物，你可以让一群微型机器人游泳，如果其中一个在旅途中失败了，那也不是问题。这就是大自然的生存之道。”“在某种程度上，这是一个更强大的系统。更小并不意味着更弱。他们一群人是不可战胜的。我觉得这些受自然启发的工具通常更具可持续性，因为大自然已经证明了它的有效性。”

-编辑克里斯Vavra，网络内容经理，控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com．

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