康奈爾大學研究團隊打造迄今最小的步行機器人

康奈爾大學的一組研究人員研發出了一類新型的磁控微型機器人（微機器人），它們能在可見光衍射極限下運作。這類被稱為「衍射機器人」的微機器人，不僅能與可見光波進行互動，還能獨立移動，如此一來，它們就能操控到特定位置，在人體一些最小結構的尺度上拍攝影像並測量力的大小。

衍射機器人首次將無線機器人與依賴可見光衍射（即光波穿過小孔或繞過物體時發生的彎曲現象）的成像技術相連線。

該成像技術需要一個大小與光波波長相當的小孔。

為了使光學系統發揮作用，機器人的尺寸必須達到那個尺度，而要讓機器人到達目標位置進行成像，它們還得具備自主移動的能力。

藉由磁鐵做出捏合動作控制，這些機器人能像尺蠖般在固體表面向前移動，也能用同樣的動作在流體中「遊動」。

機動性、靈活性以及亞衍射光學技術的結合，在機器人領域取得了重大進展。

康奈爾大學的保羅·麥尤恩教授表示：「一個小到足以有效與光互動並塑造光的步行機器人，就像是把顯微鏡的鏡頭直接放入了微觀世界。」

「它能以普通顯微鏡無法做到的方式進行近距離成像。」

「這些機器人的尺寸在2到5微米之間，非常微小。而且，透過控制驅動它們運動的磁場，我們能讓它們完成各種指令。」

康奈爾大學的弗朗西斯科·蒙蒂科內博士稱：「微機器人和微光學的融合真的令我感到十分振奮。」

「機器人的微型化終於發展到了一個階段，這些驅動機械繫統能在僅幾個波長（比一米小一百萬倍）的尺度上與光互動，並主動塑造光。」

為了在如此微小的尺度上以磁力驅動機器人，研究團隊在機器人上佈置了數百個奈米尺度的磁鐵，這些磁鐵材料體積相同，但形狀有兩種——細長型或短粗型。

康奈爾大學的伊泰·科恩教授解釋道：「細長的磁鐵從一個方向轉向另一個方向需要更大的磁場，而短粗的磁鐵則只需較小的磁場。」

「這意味著你可以施加一個強磁場使它們全部排列整齊，但如果施加一個較弱的磁場，就只有短粗的磁鐵會發生轉向。」

為了製造這些機器人，研究人員將此原理與非常薄的薄膜相結合。

蒙蒂科內博士表示：「光學工程的主要挑戰之一，是要找出最適合這個特定平臺的三項任務——調光、聚焦和超解析度成像——的方法，因為不同的方法根據微機器人的移動和變形方式不同，有著不同的效能權衡。」

科恩教授稱：「能夠機械地移動衍射元件以增強成像效果，是有好處的。」

機器人本體可用作衍射光柵，也可新增衍射透鏡。如此一來，這些機器人就能充當從上方俯瞰的顯微鏡鏡頭的區域性延伸。

機器人利用使其能夠行走的相同磁驅捏合動作，對結構施加推力，以此測量力的大小。

科恩教授解釋：「這些機器人就像非常柔順的彈簧。所以當有物體推擠它們時，機器人可以擠壓。」

「這會改變衍射圖案，而我們能很好地測量到這種變化。」

力的測量和光學能力可應用於基礎研究，比如探索DNA的結構；也可能會在臨床環境中得到應用。

蒙蒂科內教授展望未來時說：「我可以想像成群的衍射微機器人在樣品表面行走的同時，進行超解析度顯微鏡檢查和其他感測任務。」

「我認為，在微尺度上將機器人和光學工程相結合的這一新正規化，我們目前所做的不過是冰山一角。」

這項研究成果發表在《科學》期刊上。

康拉德·L·斯馬特等人，2024年。《磁程式設計衍射機器人學》。《科學》386卷（6725期）：1031 - 1037；doi: 10.1126/science.adr2177