康奈爾大學(xué)的一組研究人員已經(jīng)成功地將“大腦”安裝在由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的智能微型機(jī)器人上。
含有最終CMOS產(chǎn)品的硅晶圓，微型機(jī)器人的“大腦”。
這些微型機(jī)器人的尺寸從100到250微米不等，幾乎是人類(lèi)一縷頭發(fā)的寬度。雖然這種尺寸的機(jī)器人通常由外部控制，但康奈爾大學(xué)的原型包括一個(gè)用于控制運(yùn)動(dòng)的機(jī)載電路。
創(chuàng)建無(wú)線(xiàn)步行機(jī)器人
近年來(lái)，康奈爾大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了微觀機(jī)器，可以爬行，行走，游泳和形成形狀的彎曲。然而，這些微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是由電線(xiàn)或聚焦的激光束決定的。
康奈爾大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)教授伊泰·科恩（Itai Cohen）召集了一組研究人員，尋找消除外部控制的方法，以便微型機(jī)器人可以自行自由移動(dòng)。過(guò)去，研究人員很難在沒(méi)有引線(xiàn)鍵合和多芯片堆疊的情況下將微型機(jī)器人擴(kuò)展到微米級(jí)。典型的CMOS電路包括針對(duì)不同功能的各種焊線(xiàn)，但這會(huì)增加IC的深度、高度和重量，使其難以縮小。另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是異構(gòu)集成CMOS IC和微執(zhí)行器，使其成為單個(gè)全功能機(jī)器人。
康奈爾大學(xué)的研究人員結(jié)合了表面電化學(xué)致動(dòng)器（SEA）和硅光伏（PV）來(lái)克服這些挑戰(zhàn)。一旦從CMOS電路接收到電壓信號(hào)，氧分子就會(huì)附著并膨脹到該層上，導(dǎo)致致動(dòng)器彎曲機(jī)器人的腿。
微型機(jī)器人的“大腦”和制造
康奈爾大學(xué)的研究人員聲稱(chēng)，微型機(jī)器人的“大腦”是一個(gè)簡(jiǎn)單的CMOS時(shí)鐘電路，它實(shí)現(xiàn)了晶體管，二極管，電阻器和電容器的陣列。該IC產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，產(chǎn)生一系列相移方波頻率，控制機(jī)器人的步態(tài)。在測(cè)試階段，幾個(gè)微型機(jī)器人可以在每秒4到20微米之間移動(dòng)。
簡(jiǎn)化的制造工藝。
光學(xué)顯微照片顯示了制造過(guò)程中的不同步驟，右下角有一個(gè)示意圖橫截面。（A） 從 X-FAB 收到的集成電路。（B） 將電路頂部連接起來(lái)，蝕刻出電路主體。（C）沉積從電路到底部硅的互連。（D） 增加金屬屏蔽，以保護(hù)電路免受光線(xiàn)照射。（E）蝕刻形成支腿鉸鏈的面板并沉積SAA。（F）切下底部硅，將機(jī)器人釋放到水溶液中。
研究團(tuán)隊(duì)克服的最后一個(gè)障礙是制造過(guò)程。該過(guò)程需要13層光刻，12個(gè)蝕刻和11個(gè)沉積，來(lái)自10種不同材料。利用康奈爾大學(xué)的納米級(jí)科學(xué)技術(shù)設(shè)施（CNF），研究人員最終完成了一個(gè)8英寸的絕緣體硅晶圓。有了這個(gè)晶圓，微型機(jī)器人的PV電源和CMOS時(shí)鐘電路不會(huì)干擾機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)。
太陽(yáng)能為微型機(jī)器人供電
通過(guò)兩對(duì)基于光伏的電源，微型機(jī)器人具有用于腿部運(yùn)動(dòng)和時(shí)鐘電路的專(zhuān)用電源。CMOS時(shí)鐘電路由一個(gè)弛豫振蕩器組成，該振蕩器用作時(shí)鐘輸出和頻率驅(qū)動(dòng)器。頻率驅(qū)動(dòng)器由一系列D型觸發(fā)器組成，可將脈沖轉(zhuǎn)換為50%的占空比，使機(jī)器人能夠輕松地通過(guò)每個(gè)輸出引腳發(fā)送信號(hào)。
即使使用板載電路，康奈爾的微型機(jī)器人也只有人類(lèi)頭發(fā)的寬度。
在測(cè)試階段，康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)大約1和3 kW /m2在連續(xù)光強(qiáng)度下，微型機(jī)器人的速度達(dá)到12μm/s，每分鐘行進(jìn)約3體長(zhǎng)。雖然研究人員可以通過(guò)將輸入頻率推到4 Hz來(lái)提高速度，但該團(tuán)隊(duì)將工作頻率保持在1到2 Hz之間，因此微型機(jī)器人不會(huì)在平坦的表面上打滑。
使用CMOS電子設(shè)備構(gòu)建微型機(jī)器人還能夠創(chuàng)建響應(yīng)外部刺激而改變其行為的機(jī)器人。為了演示此功能，研究人員構(gòu)建了“dogbot”.
微型機(jī)器人在清理、監(jiān)測(cè)甚至手術(shù)方面的潛力
康奈爾大學(xué)的研究人員認(rèn)為，這些微型機(jī)器人可用于環(huán)境清理、醫(yī)療物質(zhì)監(jiān)測(cè)和顯微鏡手術(shù)。例如，這些微型機(jī)器人可能被用作傷口愈合和組織形態(tài)發(fā)生的智能機(jī)器人。
康奈爾大學(xué)的研究人員正在尋求整合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以便微型機(jī)器人可以獨(dú)立學(xué)習(xí)和適應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)希望在未來(lái)的研究中通過(guò)更復(fù)雜的任務(wù)和基于AI的算法來(lái)擴(kuò)展微型機(jī)器人家族。
