控制微觀過程本身就具有挑戰(zhàn)性。我們用來在宏觀尺度上操縱物質(zhì)的日常工具不能簡(jiǎn)單地縮小到細(xì)胞大小，即使它們可以縮小，當(dāng)它們的目標(biāo)以納米為單位時(shí)，它們所依賴的物理力也會(huì)產(chǎn)生不同的作用。

但是，盡管這并非易事，但實(shí)現(xiàn)這種控制將帶來巨大的好處：無論是將藥物輸送到腫瘤以進(jìn)行精確治療，還是從稱為膠體的液體懸浮構(gòu)建塊中制造功能材料，賓夕法尼亞大學(xué)的工程師們都在努力制造這些流程更快、更安全、更可靠。

控制這些過程的一種方法是使用微型機(jī)器人。

微型機(jī)器人可以在原子級(jí)水平上工作。例如，外科醫(yī)生能夠遙控微型機(jī)器人做毫米級(jí)視網(wǎng)膜開刀手術(shù)，在眼球運(yùn)動(dòng)的條件下，切除彈性視網(wǎng)膜或個(gè)別病理細(xì)胞，接通切斷的神經(jīng);在患者體內(nèi)或血管中穿行，一旦發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞就立即把它們殺死以及刮去主動(dòng)脈上堆積的脂肪等;可以將微型機(jī)器人胃鏡放進(jìn)胃內(nèi)對(duì)胃進(jìn)行全面檢查。微型機(jī)器人還可以用于精密制造業(yè)的加工，用它制造存儲(chǔ)量更大的電腦存儲(chǔ)芯片，以及加工精度極高的“超平面磨床”等。

微型機(jī)器人的作業(yè)能力達(dá)到了分子、原子級(jí)水平，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了藝術(shù)家在頭發(fā)絲上作畫的程度了。應(yīng)用微型機(jī)器人技術(shù)，可以使各種各樣的航天測(cè)量變得更為輕巧，磁帶錄音機(jī)之類的家用電器也會(huì)變得更加小巧和多用，電視屏幕可以做得又大又薄，其上各點(diǎn)的光亮度，是直接可以用微型機(jī)器人自動(dòng)控制的。微型機(jī)器人也將使機(jī)械學(xué)發(fā)生一場(chǎng)革命。微型和超微型機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，它可以用于航海、農(nóng)業(yè)、通信、航空航天、家庭和醫(yī)療等方面。例如：扔下成千上萬個(gè)微型機(jī)器人去咀嚼輪船底部的貝類和苔蘚，能節(jié)省航行能源;將成千上萬個(gè)微型機(jī)器人撒在莊稼地內(nèi)，讓它們?nèi)ヒ篮οx，減少農(nóng)業(yè)的損害使之有好收成;飛行微型機(jī)器人載著濕度儀和紅外傳感器在田野上飛翔，當(dāng)發(fā)現(xiàn)農(nóng)田有干旱現(xiàn)象時(shí)，便降落在灌溉系統(tǒng)的閥門上，將干旱信息傳輸給傳感器，打開閥門，定量灌溉農(nóng)田。

我們通常將機(jī)器人視為計(jì)算機(jī)化的機(jī)器，例如裝配線上或倉(cāng)庫(kù)中的機(jī)器，經(jīng)過編程可以移動(dòng)貨物并構(gòu)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如汽車和手機(jī)。然而，為比微芯片還小的機(jī)器編程會(huì)帶來另一種挑戰(zhàn)。對(duì)于計(jì)算機(jī)化來說太小了，這種規(guī)模的機(jī)器人需要以與更大的機(jī)器人完全不同的方式設(shè)計(jì)，并遵守完全不同的物理和化學(xué)定律。

由于它們對(duì)于自己的機(jī)載計(jì)算機(jī)來說太小了，微型機(jī)器人依靠外部磁力移動(dòng)。為了操縱同樣小的貨物，他們需要利用支配微尺度的不同物理和化學(xué)定律。

在這些尺寸下，每個(gè)物體都會(huì)受到周圍分子的極大影響。無論它們被氣體包圍，如周圍大氣，還是浸沒在液體中，微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)都必須通過稱為“物理智能”的概念來利用這種影響。

通過了解系統(tǒng)、周圍的介質(zhì)和其中的粒子，具有物理智能的微型機(jī)器人可以執(zhí)行各種任務(wù)。

Kathleen Stebe, Richer & Elizabeth Goodwin 化學(xué)與生物分子工程和機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)教授，姚天一，前博士。她實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生張啟星，現(xiàn)任博士。盧布爾雅那大學(xué) Miha Ravnik 教授小組的學(xué)生和合作者正在進(jìn)行基礎(chǔ)研究，這將為理解向列液晶 (NLC) 膠體流體中的這些小規(guī)模相互作用奠定基礎(chǔ)，這種流體構(gòu)成了每個(gè)液晶顯示 (LCD) 屏幕中的像素。

“向列液晶作為一種特殊相存在，是一種既不是液體也不是固體的結(jié)構(gòu)化流體，”Stebe 說。“NLC 由細(xì)長(zhǎng)的分子組成，這些分子在需要最少能量的配置中自對(duì)齊。想想搖一鍋米飯;谷物全部對(duì)齊。當(dāng)你通過引入微型機(jī)器人或膠體貨物來擾亂向列排列時(shí)，你真的例如，您在水中看不到的有趣動(dòng)態(tài)。正是 NLC 的物理學(xué)使我們能夠研究這些獨(dú)特的相互作用?！?

在發(fā)表于Advanced Functional Materials的一項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)描述了一種四臂磁控微型機(jī)器人，它可以在這種復(fù)雜的流體中游泳、運(yùn)載貨物并主動(dòng)重組粒子。

“我們從一個(gè)復(fù)雜的形狀開始，它產(chǎn)生了復(fù)雜的行為，”Stebe 說?！霸谶@里，微型機(jī)器人由外部磁場(chǎng)控制，并利用其物理智能拾取微粒作為貨物，然后在游到有紋理的表面時(shí)將其擊打。表面材料中的凹槽尺寸恰到好處吸引和保持粒子。事實(shí)上，正是這種表面設(shè)計(jì)激發(fā)了四臂微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感。我們利用 NLC 中膠體的物理形狀、表面化學(xué)和特殊動(dòng)力學(xué)來控制它。”

“但是，我們觀察這些復(fù)雜功能的次數(shù)越多，我們就越不了解，”她補(bǔ)充道?！拔覀儽仨毣氐交久鎭碚嬲忉屵@里發(fā)生的事情?！?

這個(gè)機(jī)器人怎么會(huì)游泳?它是如何保持和移動(dòng)粒子的?在另一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的研究中，該團(tuán)隊(duì)用一個(gè)形狀更簡(jiǎn)單的微型機(jī)器人回答了這些問題。

“圓盤形狀使我們能夠更好地了解微型機(jī)器人的游泳能力，”Stebe 說?！霸谶@里我們可以看到，當(dāng)磁盤的一側(cè)向上傾斜時(shí)，在其下方會(huì)產(chǎn)生拓?fù)淙毕?。拓?fù)淙毕菖c磁盤本身之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生能量梯度，從而使磁盤能夠自行推進(jìn)。 “

允許機(jī)器人游泳功能的拓?fù)淙毕莸脑蚴怯捎?NLC 的復(fù)雜組織，這與水等雜亂無章的液體有很大不同。

“利用向列液晶的物理學(xué)，”這兩項(xiàng)研究的主要作者 Yao 說，“我們可以構(gòu)建具有物理智能的微型機(jī)器人系統(tǒng)。我們可以進(jìn)行遠(yuǎn)程交互，調(diào)整結(jié)合強(qiáng)度并重新配置空間。雖然我們已經(jīng)證明了這些交互在微觀尺度上，流行的物理學(xué)在非常小的尺度上也有效，大約 30-50 納米?！?

能夠在這個(gè)層面上操縱過程是開創(chuàng)性的，理解機(jī)器人系統(tǒng)如何以間接方式執(zhí)行任務(wù)，將流體動(dòng)力學(xué)和媒體的物理相互作用作為微型機(jī)器人設(shè)計(jì)的一部分，是關(guān)鍵。

Stebe 和她的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在能夠想象這項(xiàng)技術(shù)在光學(xué)設(shè)備行業(yè)以及許多其他領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。可以使用溫度和光作為微型機(jī)器人任務(wù)的控制來設(shè)計(jì)智能材料，了解它們的環(huán)境。

“與敬業(yè)的同事和研究生一起，我們一直在努力研究這項(xiàng)技術(shù)，很高興看到多年的工作取得成果，”她說。“我們現(xiàn)在站在實(shí)際應(yīng)用的邊緣，準(zhǔn)備探索。”