中國科學家聯(lián)合造出世界最小千紙鶴，大小只有幾十微米！或可用于掃除體內病毒｜專訪

千紙鶴也能自動折疊？并且比你的發(fā)絲直徑還小？

這不是想象，而是被中國學者劉清坤聯(lián)合多位納米科學家實現(xiàn)的科研成果。近日，世界最小千紙鶴誕生于康奈爾大學團隊，相關文章也成為 3 月 17 日 Science Robotics  的封面論文

這只千紙鶴大小只有幾十微米，即使世界上最頂級的折紙大師，也不可能徒手或者用鑷子折得這么小。

其中的秘訣正是讓千紙鶴 “自我折疊”：只需施加 1V 的電壓，在不到一秒時間內，它就會自動從平面折疊成千紙鶴。

它的意義并非僅僅作為玩具，而是人類在微型機器人建造上邁出的重要一步。

微型機器人建造迎來重要一步

當前，研發(fā)波士頓機器狗等大型機器人并不難，但在設計細胞大小的機器人上，業(yè)內一直鮮有建樹。

微型機器人和大型機器人一樣，它得有傳感器和通訊接口，還要有作為 “大腦” 的控制電路。依靠成熟的半導體工藝，工程師們可輕易設計和制造以上元件，而適用于微型機器人的、具有形狀記憶功能的微型驅動器，則是長期懸而未解的難題。

那么，什么是具有形狀記憶功能的微型驅動器？

這得先從形狀記憶效應說起，在撤去溫度、光線、磁場等外部刺激時，一些材料依然能保有臨時形狀、被刺激后也仍能恢復到原始形狀。

當用在機器人和醫(yī)療植入物中，這種驅動器即便沒有持續(xù)供電，也能保持形狀。而要想微型驅動器和機器人的 “大腦” 兼容，就必須使用由 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）晶體管控制的微型驅動器。

此前的同類驅動器，一般使用陶瓷、合金和聚合物等打造，而由標準 CMOS 電路驅動的微米級形狀記憶驅動器，很難使用上述材料進行制備。

為此，劉清坤提出了用鉑金屬薄膜表面電化學氧化還原的方法，制備出一種電控形狀記憶驅動器，其厚度僅有約 30 個原子厚，即不到 10 納米，因此它的彎曲半徑也非常小，僅有 500 納米。

驅動器由兩層材料組成：鉑和惰性材料（二氧化鈦或金屬鈦），其中鉑被后者覆蓋著。

當施加高電壓時，鉑的暴露面會被氧化，這時氧原子會嵌入鉑的暴露面中，因此鉑的暴露面就會伸長，而另一面的長度不變，整個結構也會因此變彎。

而且，嵌到鉑中的氧原子會形成一個壁壘，從而避免擴散出來，即使撤掉電壓，依然能保持彎曲形狀，這也是形狀記憶功能的來源。

反過來，如果施加低電壓，鉑里面的氧原子就會被 “掃地出門”，此時再把電壓撤掉，驅動器依然可保持原狀。

概括來說，無論處于鉑的氧化態(tài)、還是還原態(tài)，撤掉電壓后，驅動器都可保持固定形狀。

為什么必須要有電控形狀記憶微型驅動器？

劉清坤告訴 DeepTech，要想做一個微納米機器人，得有作為 “大腦”的控制電路，還得有作為 “手腳” 的驅動器來執(zhí)行各種任務。

一般來說，微型驅動器有幾種基本要求：

• 一是必須得小，一般細胞大小為 10 微米左右，因此微型驅動器的彎曲半徑最好不到 1 微米，這樣才能做出細胞大小的微型機器人；

• 二是由電來驅動，目前業(yè)內有很多微型驅動器，驅動形式也很多，比如光驅動、磁驅動、化學驅動等。使用其他驅動方法，只能通過外界操作來讓機器人做動作，這樣更像是一個提線木偶。而使用電控驅動法，可讓驅動器和集成電路相結合，傳感器和控制電路也可放在微型機器人身上，這樣它就是一個擁有 “大腦” 的自主系統(tǒng)，既能感知外界環(huán)境并作出決定，還能加載 AI 技術讓其執(zhí)行更多任務；

• 三是速度必須要快，本次研究的微型驅動器不到 100 毫秒就可作出反應；

• 四是耐用性要好，本次微型驅動器折疊幾千次都沒問題；

• 五是能量消耗要低，本次具有形狀記憶功能的的微型驅動器可大幅減小微型機器人的能量消耗。

• 六是制造技術要和半導體工藝兼容，這也是最重要的一點，只有這樣才能實現(xiàn)大規(guī)模低成本生產。

而半導體工藝是基于二維的光刻工藝，微型機器是三維機器，如何從二維變?yōu)槿S？答案正是折紙。

紙越薄，折痕越小

通常來講，一個納米 “鉑 - 惰性層” 組成的微型驅動器，只能向一個方向彎曲，當改變納米鉑膜和惰性層的沉積順序后，微型驅動器就可向另外一個方向彎曲，這正是折紙需要的基本功能 —— 雙向折疊。

談到千紙鶴 “越能彎曲，折痕就越小”，劉清坤舉例說，紙張越薄，折的千紙鶴就越小，因為薄紙折痕可以做得非常細。

常見的 A4 紙大約有 10 萬個原子那么厚，而本次千紙鶴用的 “紙” 只有 30 個原子那么薄，這種納米 “紙” 的彎曲半徑不到一微米，因此可做成幾十微米大小的千紙鶴。

為何選擇千紙鶴作為表現(xiàn)形式？劉清坤直言 “因為它有趣”，他說當發(fā)現(xiàn)這種新型驅動器可用于做折紙時，來自中國的他的第一反應就是做千紙鶴。

雖然論文中也演示了微型力學超材料和微型機器，但是千紙鶴更能激發(fā)人的想象力：象征美好祈愿的古老東方千紙鶴，竟能跟現(xiàn)代科學結合起來！

他補充稱，該千紙鶴兼具技術和藝術，它由具有傳奇色彩的折紙大師 Robert Lang 設計的簡化版千紙鶴。Robert 在加州理工學院物理學博士后，曾就職于 NASA，后來辭職專門研究折紙中的科學和藝術。

作為劉清坤的合作者，當 Robert Lang 看到折紙設計能用到微納米機器人上，其本人表示 “還有比這更酷的事情嗎？”

此外，制造成本也很便宜，一個晶圓能做上百萬個微型折紙，因此千紙鶴的平均價格不到一分錢。

未來可用于掃除人體內病毒等

想象一下，和我們人類處于相似尺度上的常規(guī)機器，比如掃地機器人、工廠里的機械臂、各種汽車和飛行器，它們的重要性已經不言而喻。

而劉清坤的最終目標是做出比人類發(fā)絲還要細的機器人，即在微納米水平上完成復雜而精細的工作。

本次千紙鶴也給他未來的目標打開了一扇門，比如做成微型掃地機器人，來掃除人體內的病毒或癌細胞；還可做成微型工廠，來合成和組裝納米材料；更長遠來說，還可把微納米機器人送到火星去改造自然環(huán)境，讓人類早日實現(xiàn)火星移民。

不過，相比起這些應用，劉清坤更關心的是微型機器人背后的科學問題。他說，自然界發(fā)展出了復雜而智能的生命系統(tǒng)，并由各種微納米機器協(xié)同運作，從而形成了生命和智慧。

而人類還無法做出和天然生命系統(tǒng)中的分子機器相媲美的人工微納米機器，這說明我們尚未完全了解背后的科學原理，正是這種純粹的好奇心推動著他不斷探索微納米機器人。

此前，劉清坤所在團隊曾有一款世界上最小的行走機器人獲得了吉尼斯世界紀錄，本次折紙鶴也有望申請世界上最小的千紙鶴。

之所以有這種自信，是因為有形狀記憶的微型驅動器擁有世界上最小的彎曲半徑，目前尚無其他研究團隊能做到如此小的尺寸。

概括來說，這只千紙鶴的折痕是世界上最小的，因此它的整體體積可能也是世界上最小的。

跨學科背景助力前沿研究

回望多年的科研歷程，劉清坤非常享受其中。他說做科研興趣最重要，從本科到現(xiàn)在幾次轉換科研方向，都是因為后面的研究方向，能回答之前回答不了的問題。

在電子科技大學讀本科期間，他非常癡迷于電子設計，設計過各種嵌入式系統(tǒng)和機器人，還獲得了全國大學生電子設計競賽二等獎。

但是，他并不滿足于只用商用芯片來設計各種應用，他想了解材料和器件在納米尺度上是如何工作的。所以在浙江大學讀博士期間，劉清坤研究了各種光電子納米材料的物理性質。

隨著研究的深入，他覺得這些納米材料其實很 “迷人”，發(fā)了去進一步探索、并控制它們的愿望。隨后，他轉入智能材料和軟材料研究領域，在科羅拉多大學做博后研究期間，他發(fā)明了一款能利用電場調節(jié)透明度和顏色的智能窗戶。

此外，他還發(fā)明了一款透明柔性絕熱的薄膜，像手機貼膜一樣貼在窗戶上，就能防止房內熱量透過窗戶的散失。基于此，他申請了多項美國專利并授權給一家公司生產。

后來，他又來到康奈爾大學做博后研究，他說此次成果“完美結合了此前的背景”，并表示“還有什么把用微電子技術控制的微型機器人更智能的材料呢？”

而此前他在電子、物理、化學、材料學和微納制造上的跨學科經歷，就像一塊塊拼圖，拼出了今天的“千紙鶴成果”。