康奈尔大学物理学和工程学的研究人员创造了迄今为止最小的行走机器人。它的任务是：足够小，可以与可见光波相互作用，并且仍然独立移动，这样它就可以移动到特定的位置——例如，在组织样本中——拍摄图像并测量身体一些最小结构的力量。
“一个足够小的步行机器人，可以有效地与光相互作用并塑造光，将显微镜的镜头直接放入微观世界，”保罗·麦克恩说，他是艺术与科学学院（A&S）的约翰·A·纽曼物理科学荣誉教授，领导了这个团队。“它可以进行常规显微镜无法做到的近距离成像。”
该团队的论文《磁性编程衍射机器人》发表在《科学》杂志上，McEuen是通讯作者。康奈尔大学原子与固体物理实验室（LASSP）研究员康拉德·斯玛特和坦纳·皮尔森博士。是这项研究的共同第一作者。
康奈尔大学的科学家们已经保持了世界上最小的步行机器人的世界纪录，其尺寸为40-70微米。
新的衍射机器人“将打破这一记录，”该研究的合著者、物理学教授伊塔伊·科恩（Itai Cohen）说。“这些机器人的尺寸是5微米到2微米。他们很小。我们可以通过控制磁场来驱动它们的运动，让它们做任何我们想做的事情。”
衍射机器人技术首次将不受束缚的机器人与依赖于可见光衍射成像技术的机器人连接起来。衍射成像技术是指光波穿过开口或围绕某物时发生的弯曲。成像技术需要一个与光的波长相当大小的开口。
为了让光学系统工作，机器人必须达到这个规模，为了让机器人到达目标并进行成像，它们必须能够自己移动。康奈尔大学的研究小组实现了这两个目标。
在磁铁的控制下，机器人可以做挤压运动，在固体表面上爬行。它们也可以用同样的动作在液体中“游泳”。
研究人员表示，机动性、灵活性和亚衍射光学技术的结合，在机器人领域取得了重大进展。
“我对微型机器人和微光学的这种融合感到非常兴奋，”合著者弗朗西斯科·蒙蒂科内说，他是康奈尔大学工程学院电子和计算机工程副教授，他设计了光学衍射元件并帮助团队确定了应用。
“机器人技术的小型化最终达到了这样一个程度，即这些驱动机械系统可以在几个波长的尺度上与光相互作用，并主动塑造光——比一米小一百万倍。”
为了在这种规模上驱动机器人，研究小组用数百个纳米级的磁铁对机器人进行了设计，这些磁铁具有相同体积的材料，但有两种不同的形状——长而薄，或短而粗。科恩说，这个想法起源于复旦大学物理学家崔继宰。
科恩说：“长而薄的粒子需要更大的磁场来使它们从指向一个方向翻转到指向另一个方向，而短而粗的粒子需要更小的磁场。”“这意味着你可以施加一个大的磁场让它们全部对齐，但如果你施加一个较小的磁场，你只能翻转短而粗的那些。”
康奈尔大学的科学家们将这一原理与康奈尔纳米科学技术研究所发明的非常薄的薄膜结合起来，创造了机器人。
Monticone说，光学工程的主要挑战之一是为这个特定平台的三个任务——调光、聚焦和超分辨率成像——找出最合适的方法，因为“不同的方法有不同的性能权衡，这取决于微型机器人如何移动和改变形状。”
科恩说，能够机械地移动衍射元件以增强成像是有好处的。机器人本身可以用作衍射分级，或者可以添加衍射透镜。通过这种方式，机器人可以充当显微镜镜头的局部延伸，从上面向下看。
机器人通过使用同样的磁铁驱动的挤压运动来测量力，这种运动使它们能够行走以推动结构。
“这些机器人是非常柔顺的弹簧。所以当有东西推它们时，机器人就可以挤压。”科恩说。“这改变了衍射模式，我们可以很好地测量它。”
研究人员说，力测量和光学能力可以应用于基础研究，比如对DNA结构的探索。或者它们可能被部署在临床环境中。
“展望未来，我可以想象成群的衍射微型机器人在样品表面行走时执行超分辨率显微镜和其他传感任务，”蒙蒂科内说。“我认为，在微观尺度上，机器人和光学工程结合起来，我们真的只是触及了这种新范式的表面。”
