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2022年5月25日，北京大學未來技術生物醫學工程系韓夢迪研究員課題組與美國西北大學John A. Rogers教授、黃永剛教授，以及清華大學張一慧教授組成國際合作團隊，在Science Robotics雜志發表了題為“Submillimeter-scale multimaterial terrestrial robots”的論文。

微型機器人在微納米制造與組裝、微創外科手術、細胞與組織操控等領域具有廣泛的應用前景。但是，目前的微型機器人大部分僅能在液體環境中運動，很難在固體表面通過遠程控制來實現多方向、多模態的運動。為了解決這一問題，韓夢迪課題組聯合國內外多家研究團隊，共同研發了一款亞毫米尺度、多材料集成、具有復雜三維形貌和運動模式的微型機器人，是世界上最小的遙控步行機器人。這種機器人寬度只有半毫米，可以具有類似螃蟹、蜘蛛、尺蠖、蟋蟀、甲蟲等動物的三維仿生形貌。

這種具有復雜三維形貌的微型機器人可以通過并行化的方法制備。首先，通過光刻、刻蝕、薄膜沉積等常規半導體工藝制備平面的機器人圖形；之后通過轉印和三維屈曲方法將多個平面圖形同時轉變為三維構型。與傳統的機器人不同，這些三維微型機器人不需要復雜的電力或液/氣壓進行驅動，而是通過遠程的激光進行控制的。機器人由聚酰亞胺、形狀記憶合金和二氧化硅外殼組成。當激光照射在機器人表面時，會產生局部的溫度升高，導致形狀記憶合金發生相變，從三維形狀轉變為初始的平面形狀，并帶動聚酰亞胺產生形變與位移。當激光移除時，機器人表面溫度降低，二氧化硅外殼的彈性回復力會將形狀記憶合金重新回彈成三維形狀。周期性地用激光加熱和冷卻機器人的不同部位，則可以實現方向可控的運動。由于這種機器人的體積非常小，降溫速率非常快，在一秒內可以往復升降溫十余次，從而產生每秒半個身長的定向運動。

通過改變機器人的結構設計和激光加熱不同區域的時序，可以實現十分豐富的運動模式，包括彎曲、扭曲、爬行、行走、轉彎、跳躍等。例如，當激光從右向左掃描時，會依次加熱機器人的右、中、左部分，導致機器人重心向右或向左偏移，從而在左右兩側產生不同的支持力。兩側支持力的差異是機器人實現定向運動的基礎，使機器人在激光從右向左掃描時呈現自左向右的定向運動；當激光從左向右掃描時，機器人會沿著相反的方向運動。

如果將角錐棱鏡和半透明變色材料集成在這些機器人上，則可以實現額外的定位與遙測功能。其中，角錐棱鏡具有獨特的幾何形狀，能夠將任意角度的光線沿著入射方向返射。因此，可以在激光旁邊放置一個光電探測器，用于檢測反射光的強度。當機器人的周圍環境發生變化時，半透明變色材料的顏色也會隨之發生變化，從而改變光電探測器的輸出信號強度。通過設計制備針對濕度、酸堿度、紫外輻照強度的變色材料，則可以基于微型機器人實現這些物理、化學量的遠程測量。

這些研究結果為狹窄空間的復雜操控提供了可能性，未來有望應用于工業生產，實現對微小零部件的組裝和修復；或應用于微創手術中，實現清除阻塞、阻止出血、消除腫瘤、定向給藥等功能。獲 取 更多前沿科技研究 進展訪問：https://byteclicks.com

上述研究工作得到了國家自然科學基金等項目的支持，韓夢迪、北京理工大學郭曉崗副教授以及北京大學微電子研究院2015級博士畢業生陳學先為本論文的第一作者，John A. Rogers和黃永剛以及張一慧為本論文的通訊作者。微型機器人運動的相關視頻可參見韓夢迪課題組網站（http://www.hmd-lab.com/microrobot）。

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關鍵詞： 定向運動 形狀記憶合金 微型機器