工程微機器能夠利用電子脈衝自主協調

微型機器人能夠自動協調運動

由康奈爾大學 (Cornell University) 研究人員設計的微型機器人，能像體育場裡的觀眾一樣，自動協調他們的運動。這項技術為藥物傳遞、化學混合和環境修復等應用開啟了新的可能性。

根據11月27日發表在《科學機器人學》(Science Robotics) 的研究，這是首次展示使用互補金屬氧化物半導體振盪器的微型機器人能夠同步運作。這項研究的共同首席作者是艾莉莎·阿普塞爾 (Alyssa Apsel)，她是工程學的IBM教授及電機與計算機工程學院的主任，和伊泰·科亨 (Itai Cohen)，他是文理學院物理學教授及設計科技系的主任。

這些機器透過交換電子脈衝來協調運動，直到整個系統與最快的振盪器對齊。每台機器都有一個只有7奈米厚的彎曲槳驅動器，當啟動時會彎曲，模仿人們在體育場中坐下和站起來的動作。

阿普塞爾表示：「這些振盪器的功耗非常低，低於奈瓦特，並且運作簡單。我們實際上是在設計本地計時系統，這些系統可以互相通信，產生全球行為。這種方法非常適合那些沒有足夠電力、能力或空間進行長距離連接的微型機器。」

這種同步依賴於一種脈衝耦合技術，振盪器發送定期的電子信號，調整鄰近機器的時間，讓它們的運動對齊，而不需要集中控制。這一策略受到數學家早期對耦合振盪器系統的研究啟發，這些研究者發展了理論框架來模擬自然現象中的「內部時鐘」，例如螢火蟲的同步閃爍或心臟細胞的共同跳動。

共同研究者米拉德·塔哈維 (Milad Taghavi) 博士表示：「這種去中心化的方法使系統能夠自我修正，並在條件變化或外部干擾發生時保持同步。」

他補充道：「如果一組機器被切斷，這項技術確保每個子組可以獨立繼續同步。隨著時間的推移，如果這些組重新連接，共享的脈衝將使它們無縫地重新建立同步。」

研究人員成功地在直線和二維配置中同步了多達16台微型機器，並表示只需進行最小的調整即可擴展到更大的網絡。這種可擴展性使得協調越來越複雜的微型機器人群體成為可能，能夠應用於藥物傳遞、化學混合和環境清理等領域，以及微型建設合作。

科亨表示：「這也為製造電子材料鋪平了道路，這些材料在每個元素中都包含電子，以創造自然系統中無法實現的 emergent 行為。」

阿普塞爾表示，研究人員計劃繼續他們對微型機器的研究，未來的項目可能包括模仿尺蠖的協調微型機器人，甚至可以分裂成多個自主部分的微型機器人。

阿普塞爾說：「工程師在製造這些能夠移動甚至感知環境的微型機器方面取得了巨大進展，但找到優雅的方法讓它們共同運作仍然很困難。這篇論文顯示，可以利用生物學和自然界的想法來展示集體行為。」