今年3月份，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·機器人學(xué)》報道了一種可在溶液中工作的、微米尺度的電控微型機器人（圖中的“千紙鶴”）。這項研究的第一作者是來自美國康奈爾大學(xué)的中國學(xué)者劉清坤。
Science Robotics 封面（來源：Science Robotics）
微米到底是多小呢？一根頭發(fā)絲直徑大約是50~100微米，這款電控微型機器人大約是一根頭發(fā)絲的直徑大小。如此小尺寸的機器人是如何工作的呢？打量一下這只“千紙鶴”，不難發(fā)現(xiàn)，想讓其動起來，只需要對“翅膀”與“軀干”連接的部位（以下簡稱連接部位）進行可控的彎折即可，這樣就等同于“千紙鶴”在揮動翅膀。也就是說，連接部位才是核心。而這核心部位竟是由鉑金（以下用Pt代替）構(gòu)成的！
當然了，這里的鉑和生活中做成首飾的鉑有些區(qū)別。打磨成首飾的鉑是大塊的、肉眼可見的，而這只微型千紙鶴中的鉑則是納米尺寸。納米是一個長度單位，它是一千分之一微米，遠小于肉眼的觀測極限。一根頭發(fā)絲的直徑大約是五萬納米。連接部位的Pt實際上是一層7納米厚的Pt薄膜，而這層薄膜生長在惰性層（inert layer）之上。由于Pt薄膜自身和惰性層之間存在特定的應(yīng)力，Pt薄膜會形成彎曲的狀態(tài)。將Pt薄膜進行氧化，這種應(yīng)力會被消除掉，薄膜將會變成水平的狀態(tài)。如果能可控地對Pt薄膜進行氧化和還原的循環(huán)，薄膜就可以從彎曲狀態(tài)到水平狀態(tài)循環(huán)變化，那么就可以實現(xiàn)千紙鶴扇動翅膀的功能了。
那么，如何控制Pt薄膜氧化還原的過程呢？這款微型機器人是在溶液環(huán)境中工作的，這恰恰是實現(xiàn)Pt薄膜可控氧化還原過程的關(guān)鍵。將Pt薄膜放置在溶液中（學(xué)者劉清坤用的是磷酸鹽緩沖液），對薄膜施加正電壓，溶液中的氧離子會在電場的驅(qū)動下吸附在Pt薄膜表面，進一步和薄膜發(fā)生氧化反應(yīng)，形成PtOx（這里由于不能確定氧化后薄膜中Pt和O的比例關(guān)系，無法給出準確的配比，所以用PtOx表示，x即表示氧原子的占比是未知的）。相反，對薄膜施加負電壓，薄膜會發(fā)生還原反應(yīng)，氧離子又會回歸到溶液中，PtOx又重新回到了Pt狀態(tài)。通過實驗探索，研究人員最終選用+1.1V和-0.5V的電壓來控制Pt薄膜的氧化還原過程。并且，該過程的響應(yīng)速度極快，只需約100毫秒。
如此高大上的微型機器人，是不是很難實現(xiàn)量產(chǎn)呢？其實不然，因為此款機器人是依靠現(xiàn)有的微電子加工工藝制作出來的。換言之，如果想要批量生產(chǎn)此款機器人，現(xiàn)有的芯片制造公司就可以完成。
微型機器人在醫(yī)學(xué)、微觀環(huán)境探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用意義，有可能協(xié)助醫(yī)生在人體內(nèi)部進行手術(shù)；協(xié)助患者將特定成分的藥物送往體內(nèi)指定位置；協(xié)助人們探索難以觸及的微觀環(huán)境，比如核泄漏事故地點。未來，希望微型機器人有更廣泛的應(yīng)用空間，為我們的生活帶來更多的便利。
作者：山東大學(xué)物理系博士任正峰
