機(jī)器人有組件一起工作來完成一項(xiàng)任務(wù)。膠體是顆粒，通常小于100微米，小到不會從溶液中沉淀出來。膠體機(jī)器人是能夠具有感應(yīng)、計算、通信、運(yùn)動和能量管理等功能的粒子，這些功能都由粒子本身控制。他們的設(shè)計和合成是借鑒材料科學(xué)、膠體科學(xué)、自組裝、機(jī)器人物理學(xué)和控制理論的跨學(xué)科研究的新興領(lǐng)域。許多膠體機(jī)器人系統(tǒng)自主地接近生物細(xì)胞的合成版本，并可能發(fā)現(xiàn)將這些專門功能帶到以前無法訪問的位置的最終效用。本視角研究了新興文獻(xiàn)，并強(qiáng)調(diào)了實(shí)現(xiàn)膠體機(jī)器人的某些設(shè)計原則和策略。
膠體機(jī)器人（CR）是自主顆粒機(jī)器，在膠體條件下采用“感覺-計劃-行動”范式，目標(biāo)是將微觀機(jī)器人系統(tǒng)部署到新環(huán)境中。這種環(huán)境中的自主性被定義為機(jī)器在沒有外部驅(qū)動和監(jiān)督的情況下做出決策（或“計算”）的能力。此類計算可以通過以下方式進(jìn)行：
（1）用于信息輸入的傳感器
（2）用于邏輯計算和數(shù)據(jù)存儲的中央處理單元
（3）用于信息傳輸?shù)耐ㄐ磐ǖ?/span>
（4）驅(qū)動和運(yùn)動模式和/或
（5）車載能量收集和/或存儲單元以模塊化方式集成到膠體微顆粒中。
隨著機(jī)器人設(shè)備縮小到亞毫米尺寸，它們開始承擔(dān)膠體系統(tǒng)的行為。典型的膠體現(xiàn)象，如布朗運(yùn)動、聚集和沉積，可以被視為需要克服的挑戰(zhàn)性障礙，或使CR設(shè)計的特征得以利用。它們體積小，很容易分散。首先，它們的熱能會導(dǎo)致位置和方向上的大量位移，導(dǎo)致以線性和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散系數(shù)為特征的隨機(jī)漫步（布朗運(yùn)動）。因此，CR的位置和方向可能會快速和不可預(yù)測地變化，如果布朗運(yùn)動與其推進(jìn)速度相稱，這對從A點(diǎn)到B點(diǎn)的機(jī)器人構(gòu)成了挑戰(zhàn)。另一方面，這意味著足夠小的CR將擴(kuò)散，僅使用環(huán)境熱能（例如，監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)堆中的條件）通過介質(zhì)自由擴(kuò)散。
導(dǎo)致CR分散性的第二個關(guān)鍵因素是其表面積與體積比相對較高，這導(dǎo)致與引力反部分相比阻力強(qiáng)，最終導(dǎo)致膠體顆粒的沉降速度緩慢。在這種情況下，“緩慢”取決于上下文：類似的沉降速度可能意味著CRs在游泳池中懸浮數(shù)天，但在幾秒鐘內(nèi)從血管中沉積出來。了解CR沉降行為不僅在水環(huán)境中很重要，而且在空氣中，對于可氣溶膠電子系統(tǒng)。
CR系統(tǒng)集成。CR集成的目標(biāo)是從單個構(gòu)建塊構(gòu)建復(fù)雜的自主系統(tǒng)，類似于將單個細(xì)胞器（例如，核作為CPU，線粒體作為能量中心，鞭毛作為執(zhí)行器等）組合成高階細(xì)胞。
與2×2平方厘米的CPU等傳統(tǒng)設(shè)備相比，膠體系統(tǒng)的一個獨(dú)特特征是它們的最終設(shè)備尺寸（大約100×100微米2的平面面積）很小。此功能放松了CR晶圓制造視為工業(yè)上可行的工藝的缺陷密度公差。一旦為膠體系統(tǒng)選擇了整體自上而下的集成方法，故障率略高的實(shí)驗(yàn)室級方法可能仍然適合大規(guī)模設(shè)備生產(chǎn)。
圖4a顯示了一個控制架構(gòu)——基于優(yōu)化的混合方法的結(jié)果——能夠?qū)R移動到指定位置。機(jī)器人在連續(xù)空間中自主實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，僅使用離散驅(qū)動、離散傳感和少數(shù)邏輯運(yùn)算符。
如果可以控制單個CR，則此類代理的集合應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)更廣泛的目標(biāo)。簡單代理系統(tǒng)的控制已經(jīng)在許多領(lǐng)域進(jìn)行了探索，例如軍蟻的“短路橋接”行為，其中隨機(jī)、分布式算法使粒子能夠自我組裝成針對長度和成本優(yōu)化的橋梁。在壓縮或擴(kuò)展以及異構(gòu)代理的分離或集成的算法中，也存在類似的全局行為。
膠體機(jī)器人領(lǐng)域建立在智能粉塵和微機(jī)器人的現(xiàn)有概念之上，而智能粉塵顆粒一直是立方毫米范圍內(nèi)的非移動微系統(tǒng)，而微機(jī)器人通常是需要外部控制的“監(jiān)督代理”。CR是這一發(fā)展的下一個合乎邏輯的步驟，并在規(guī)格方面提高了標(biāo)準(zhǔn)。在納米升或更小的尺寸下，它們至少比智能粉塵或微機(jī)器人小1000倍，并且設(shè)計用于不沉降在流體環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)各種新應(yīng)用。
將所有這些功能集成到納升（106 μm3）的體積中是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。雖然所有組件的整體集成是可取的，但任何單一的材料類都不足以實(shí)現(xiàn)所有功能。前進(jìn)的道路是明確的：我們同時需要一套不同的材料結(jié)構(gòu)（組件，如傳感器、計時器和執(zhí)行器），將高度專業(yè)化但節(jié)能的功能和模塊化系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合在一起，允許CR的一部分與另一部分一起工作。因此，投入和產(chǎn)出的標(biāo)準(zhǔn)化對于促進(jìn)研究單個模塊的材料科學(xué)研究人員之間的合作非常重要。
隨著微型和納米級機(jī)器作為挑戰(zhàn)性問題的解決方案而開發(fā)，強(qiáng)調(diào)膠體機(jī)器人的風(fēng)險和后果很重要。使用該技術(shù)的科學(xué)家、工程師和企業(yè)主以及政策制定者有責(zé)任維護(hù)技術(shù)的道德和負(fù)責(zé)任使用技術(shù)的誠信。由于我們最初在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中部署CR，應(yīng)首先探索封閉空間（通過適當(dāng)?shù)倪^濾，其中相對于納米顆粒更大的CR尺寸將是高級的）。與用于電子電路的傳統(tǒng)散裝導(dǎo)體和半導(dǎo)體相比，使用功能性2D（或其他納米結(jié)構(gòu)低維）材料的另一個優(yōu)勢是降低了潛在的毒性問題（例如，2D材料的單個原子層可以提供與材料少得多的散裝對應(yīng)物類似的功能）。這凸顯了使用CR為這些即將到來的應(yīng)用探索非傳統(tǒng)材料的必要性。
從這個角度來看，我們強(qiáng)調(diào)了幾項(xiàng)開創(chuàng)性努力，這些努力將CR用作幾個無法訪問的地點(diǎn)的分布式信息探測器。醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)視方面的顛覆性創(chuàng)新以及此類技術(shù)的其他創(chuàng)造性用途還有許多機(jī)會。
原文：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01589-y
京公網(wǎng)安備11010802046783號
