【WRC · 资讯】康奈尔大学研究人员将电子“大脑”放在行走的微米级的微型机器人上

前言

虽然微米级的机器人通常由外部控制，但康奈尔大学的原型包括自主微型机器人上的电路。

康奈尔大学的一组研究人员已经成功地将“大脑”安装在由太阳能驱动的智能微型机器人上。

含有最终CMOS产品的硅晶圆，微型机器人的“大脑”。

这些微型机器人的尺寸从100到250微米不等，几乎是人类一缕头发的宽度。虽然这种尺寸的机器人通常由外部控制，但康奈尔大学的原型包括一个用于控制运动的机载电路。

创建无线步行机器人

近年来，康奈尔大学的研究人员开发了微观机器，可以爬行，行走，游泳和形成形状的弯曲。然而，这些微型机器人的运动是由电线或聚焦的激光束决定的。

康奈尔大学艺术与科学学院的物理学教授伊泰·科恩（Itai Cohen）召集了一组研究人员，寻找消除外部控制的方法，以便微型机器人可以自行自由移动。过去，研究人员很难在没有引线键合和多芯片堆叠的情况下将微型机器人扩展到微米级。典型的CMOS电路包括针对不同功能的各种焊线，但这会增加IC的深度、高度和重量，使其难以缩小。另一个主要挑战是异构集成CMOS IC和微执行器，使其成为单个全功能机器人。

康奈尔大学的研究人员结合了表面电化学致动器（SEA）和硅光伏（PV）来克服这些挑战。一旦从CMOS电路接收到电压信号，氧分子就会附着并膨胀到该层上，导致致动器弯曲机器人的腿。

微型机器人的“大脑”和制造

康奈尔大学的研究人员声称，微型机器人的“大脑”是一个简单的CMOS时钟电路，它实现了晶体管，二极管，电阻器和电容器的阵列。该IC产生一个信号，产生一系列相移方波频率，控制机器人的步态。在测试阶段，几个微型机器人可以在每秒4到20微米之间移动。

简化的制造工艺。

光学显微照片显示了制造过程中的不同步骤，右下角有一个示意图横截面。（A） 从 X-FAB 收到的集成电路。（B） 将电路顶部连接起来，蚀刻出电路主体。（C）沉积从电路到底部硅的互连。（D） 增加金属屏蔽，以保护电路免受光线照射。（E）蚀刻形成支腿铰链的面板并沉积SAA。（F）切下底部硅，将机器人释放到水溶液中。

研究团队克服的最后一个障碍是制造过程。该过程需要13层光刻，12个蚀刻和11个沉积，来自10种不同材料。利用康奈尔大学的纳米级科学技术设施（CNF），研究人员最终完成了一个8英寸的绝缘体硅晶圆。有了这个晶圆，微型机器人的PV电源和CMOS时钟电路不会干扰机器人的腿部运动。

太阳能为微型机器人供电

通过两对基于光伏的电源，微型机器人具有用于腿部运动和时钟电路的专用电源。CMOS时钟电路由一个弛豫振荡器组成，该振荡器用作时钟输出和频率驱动器。频率驱动器由一系列D型触发器组成，可将脉冲转换为50%的占空比，使机器人能够轻松地通过每个输出引脚发送信号。

即使使用板载电路，康奈尔的微型机器人也只有人类头发的宽度。

在测试阶段，康奈尔大学的研究人员发现大约1和3 kW /m2在连续光强度下，微型机器人的速度达到12μm/s，每分钟行进约3体长。虽然研究人员可以通过将输入频率推到4 Hz来提高速度，但该团队将工作频率保持在1到2 Hz之间，因此微型机器人不会在平坦的表面上打滑。

使用CMOS电子设备构建微型机器人还能够创建响应外部刺激而改变其行为的机器人。为了演示此功能，研究人员构建了“dogbot”.

微型机器人在清理、监测甚至手术方面的潜力

康奈尔大学的研究人员认为，这些微型机器人可用于环境清理、医疗物质监测和显微镜手术。例如，这些微型机器人可能被用作伤口愈合和组织形态发生的智能机器人。

康奈尔大学的研究人员正在寻求整合机器学习算法，以便微型机器人可以独立学习和适应。该团队希望在未来的研究中通过更复杂的任务和基于AI的算法来扩展微型机器人家族。

来源：搜狐网