光動力機器人：光學控制能否超越傳統(tǒng)驅動？

機器人微型化是一個復雜且成本高昂的過程。作為替代方案，研究人員正在探索使用刺激響應執(zhí)行器，這種執(zhí)行器可以消除對控制電路和電池的需求。一種頗具前景的方法是利用光來高精度控制微米級和納米級機器人。

其他技術，例如磁場和聲波，也已被研究。但光因其多功能性而脫穎而出。它的特性可以根據特定應用進行精確調整，并提供卓越的空間分辨率。

可以使用各種各樣的工具來引導和調節(jié)光線，使其成為無線機器人控制的強大選擇。

軟體機器人中的光機械和光熱機制光電移動光控液晶軟體機器人

光移動軟體機器人以光作為唯一能源，無需電池或有線電源。這些系統(tǒng)依賴于液晶聚合物 (LCP)，這是一種對光生熱產生響應的有機材料。當暴露于光時，LCP 會發(fā)生相變，從各向異性變?yōu)楦飨蛲裕瑥亩鴮е缕浞肿咏Y構發(fā)生變化。

這種位移會產生內部彈性應力，使機器人能夠變形并移動。由此產生的運動類似于生物體如何利用身體變形與表面相互作用并克服阻力。

2018年，研究人員展示了一款由光驅動的毫米級步行機器人。它由單片液晶聚合物制成，并采用圖案化技術精心排列。調制LED光源精確控制其運動。

光熱驅動軟體機器人

設計能夠無線操作、無需笨重3D結構或受限環(huán)境的軟體機器人仍然頗具挑戰(zhàn)性。最近的一種方法是使用光熱響應型LCP執(zhí)行器，并搭配模擬生物摩擦機制的刷毛狀結構。

這些刷毛通過紫外線固化制成，通過減少前進方向的阻力來實現定向滑動。執(zhí)行器由一層壓有聚酰亞胺 (PI) 的 LCP 薄膜組成，該薄膜可在近紅外 (NIR) 光照射下彎曲和伸直。

傾斜的刷毛設計可減少向前滑動時的阻力，并增加向后滑動時的阻力。這種定向摩擦力會隨著刷毛傾斜度的增加而增大。通過靈活連接執(zhí)行器和刷毛，該系統(tǒng)可以通過調節(jié) LCP 薄膜的數量來平衡驅動力和阻力。機器人的爬行速度可通過改變執(zhí)行器的長度或與近紅外光源的距離來調節(jié)。

此類光熱效應為控制軟納米機器人的運動提供了有希望的方法。#

卡特彼勒軟體機器人采用光驅動

用于治療生物威脅的光控吞噬機器人

柔性微納米機器人在生物醫(yī)學領域的應用是一個蓬勃發(fā)展但充滿挑戰(zhàn)的領域。許多此類機器人由合成材料制成，難以與生物系統(tǒng)整合。

巨噬細胞是人體的關鍵免疫細胞，因其天然的靶向和清除威脅的能力而備受關注。研究人員已將其重新利用為癌癥靶向治療的藥物載體。光作為一種非侵入性控制方法，提供了一種遠程影響生物細胞的精確方法。

基于這一想法，科學家們開發(fā)了一種光動力微型機器人，被稱為“吞噬機器人”。該系統(tǒng)基于具有可調節(jié)吞噬活性的活體巨噬細胞。他們利用近紅外光進行局部光熱刺激，將靜息巨噬細胞轉化為能夠控制運動的主動機器人單元。

通過光波激活吞噬機器人，使用者可以執(zhí)行一系列運動任務，例如定向導航，并以可調速度沿復雜路徑行進。通過將光的精確時空控制與巨噬細胞強大的吞噬功能相結合，吞噬機器人能夠瞄準并消滅各種大小的生物威脅。

研究團隊在體外和體內環(huán)境中展示了其能力，包括在活體斑馬魚體內成功運行。這項工作表明，將光學生物調節(jié)整合到活細胞中可以產生能夠進行精細生物控制的人工智能增強型下一代微型機器人。

無電池光學驅動：MilliMobile

在最近的一項研究中，研究人員發(fā)明了MilliMobile——這是第一款利用太陽能和無線電波供電的無電池機器人。該原型重量不到1.1克，底盤尺寸約為10×10毫米。

盡管體積小巧，MilliMobile 卻能承載自身重量三倍的物體。測試中，它在運輸 1 克有效載荷時速度僅下降了 25%。

該機器人采用了可編程的 nRF52 系列藍牙片上系統(tǒng) (SoC)，實現低功耗處理和無線通信。其電路板包含四個用于檢測光照水平的光電二極管，以及用于測量溫度和濕度的傳感器。

在無電池系統(tǒng)中，實現精確的運動控制通常非常困難。然而，MilliMobile 卻能夠以極低的功耗實現這一目標。在典型的照明和射頻功率條件下，它能夠獨立自主地運行，間歇性運動的功耗僅為 57 μW。

挑戰(zhàn)與未來展望

光驅動微型機器人面臨兩大挑戰(zhàn)：制造和光學控制。制造過程中的一個關鍵問題是可擴展性。將元件（尤其是電子電路）的尺寸縮小到納米級在技術上非常復雜。對于軟體微型機器人而言，3D打印的分辨率有限，這進一步限制了其發(fā)展。隨著尺寸的減小，需要更小的結構特征，這增加了設計和制造的復雜性。

要在如此規(guī)模下生產一致的高分辨率結構，還需要仔細優(yōu)化材料和打印條件。這些要求會導致成本上升和開發(fā)速度減慢。

在復雜環(huán)境下，用光控制這些機器人變得更加困難。在異質或不透明材料中調節(jié)光強度和波形仍然是一項挑戰(zhàn)。在稠密介質（例如渾濁液體）中，光穿透受限，導致光學驅動效率降低。

為了解決這些問題，研究人員正在探索將光與其他驅動方式（例如磁驅動、聲驅動或化學驅動）相結合的混合方法。這些組合或許能夠在單靠光驅動不足的環(huán)境中提升性能。

光控微型機器人有望應用于靶向藥物輸送、環(huán)境感知或微尺度組裝等領域。與人工智能的集成可以改善運動控制和響應能力。雖然該技術仍處于開發(fā)階段，但相關研究仍在持續(xù)評估其實際潛力。