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)的日常工具不能簡單地縮小到細胞大小，即使它們可以縮小，當它們的目標以納米為單位時，它們所依賴的物理力也會產(chǎn)生不同的作用。

但是，盡管這并非易事，但實現(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器人。

微型機器人可以在原子級水平上工作。例如，外科醫(yī)生能夠遙控微型機器人做毫米級視網(wǎng)膜開刀手術(shù)，在眼球運動的條件下，切除彈性視網(wǎng)膜或個別病理細胞，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)癌細胞就立即把它們殺死以及刮去主動脈上堆積的脂肪等;可以將微型機器人胃鏡放進胃內(nèi)對胃進行全面檢查。微型機器人還可以用于精密制造業(yè)的加工，用它制造存儲量更大的電腦存儲芯片，以及加工精度極高的“超平面磨床”等。

微型機器人的作業(yè)能力達到了分子、原子級水平，已遠遠超過了藝術(shù)家在頭發(fā)絲上作畫的程度了。應(yīng)用微型機器人技術(shù)，可以使各種各樣的航天測量變得更為輕巧，磁帶錄音機之類的家用電器也會變得更加小巧和多用，電視屏幕可以做得又大又薄，其上各點的光亮度，是直接可以用微型機器人自動控制的。微型機器人也將使機械學(xué)發(fā)生一場革命。微型和超微型機器人的應(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：扔下成千上萬個微型機器人去咀嚼輪船底部的貝類和苔蘚，能節(jié)省航行能源;將成千上萬個微型機器人撒在莊稼地內(nèi)，讓它們?nèi)ヒ篮οx，減少農(nóng)業(yè)的損害使之有好收成;飛行微型機器人載著濕度儀和紅外傳感器在田野上飛翔，當發(fā)現(xiàn)農(nóng)田有干旱現(xiàn)象時，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。

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

由于它們對于自己的機載計算機來說太小了，微型機器人依靠外部磁力移動。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，每個物體都會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，微型機器人的設(shè)計都必須通過稱為“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械工程與應(yīng)用力學(xué)教授，姚天一，前博士。她實驗室的學(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?！癗LC 由細長的分子組成，這些分子在需要最少能量的配置中自對齊。想想搖一鍋米飯;谷物全部對齊。當你通過引入微型機器人或膠體貨物來擾亂向列排列時，你真的例如，您在水中看不到的有趣動態(tài)。正是 NLC 的物理學(xué)使我們能夠研究這些獨特的相互作用?！?

在發(fā)表于Advanced Functional Materials的一項研究中，研究團隊描述了一種四臂磁控微型機器人，它可以在這種復(fù)雜的流體中游泳、運載貨物并主動重組粒子。

“我們從一個復(fù)雜的形狀開始，它產(chǎn)生了復(fù)雜的行為，”Stebe 說。“在這里，微型機器人由外部磁場控制，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。事實上，正是這種表面設(shè)計激發(fā)了四臂微型機器人的設(shè)計靈感。我們利用 NLC 中膠體的物理形狀、表面化學(xué)和特殊動力學(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，”她補充道?！拔覀儽仨毣氐交久鎭碚嬲忉屵@里發(fā)生的事情。”

這個機器人怎么會游泳?它是如何保持和移動粒子的?在另一項發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上的研究中，該團隊用一個形狀更簡單的微型機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器人的游泳能力，”Stebe 說。“在這里我們可以看到，當磁盤的一側(cè)向上傾斜時，在其下方會產(chǎn)生拓撲缺陷。拓撲缺陷與磁盤本身之間的相互作用會產(chǎn)生能量梯度，從而使磁盤能夠自行推進。 “

允許機器人游泳功能的拓撲缺陷的原因是由于 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器人系統(tǒng)。我們可以進行遠程交互，調(diào)整結(jié)合強度并重新配置空間。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?！?

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

Stebe 和她的團隊現(xiàn)在能夠想象這項技術(shù)在光學(xué)設(shè)備行業(yè)以及許多其他領(lǐng)域的實際應(yīng)用。可以使用溫度和光作為微型機器人任務(wù)的控制來設(shè)計智能材料，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技術(shù)，很高興看到多年的工作取得成果，”她說?！拔覀儸F(xiàn)在站在實際應(yīng)用的邊緣，準備探索?！?