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比鹽粒還小，卻擁有「大腦」：全球首款全自主可編輯程式微型機器人誕生

 

 

【科技前沿／圖靈學院編輯部2026-1-6綜合報導】

 

    想像一下，成千上萬個機器人組成的微型大軍，每一個都比一粒鹽還要小，卻各自擁有獨立的「大腦」、感測器和動力系統。它們可以在你的指紋脊線上保持平衡，能夠感知周圍的環境溫度，進行簡單的運算與決策，甚至像蜜蜂一樣透過「舞蹈」來傳遞訊息。這不再是科幻小說中的情節，而是剛剛在頂尖學術期刊《科學機器人》（Science Robotics）上發表的突破性研究成果。

 

    由美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）與密西根大學（University of Michigan）組成的跨校研究團隊，近日宣布開發出了世界上最小的「全自主可編程機器人」。這些微型機器人尺寸僅為數百微米，不僅能夠在流體中自主游動，還具備感測、思考、行動和運算的能力。這項技術的問世，標誌著微型機器人領域跨越了長達四十年的技術瓶頸，為未來的精準醫療、微觀製造等領域開啟了無限可能。

 

突破極限：微觀世界的自主革命

 

    長久以來，人類在微縮電子元件方面取得了驚人的成就，摩爾定律讓電腦晶片從房間大小縮小到指尖可控。然而，機器人技術的微型化卻始終面臨巨大挑戰。過去的微型機器人（Microrobots）大多依賴外部控制，例如透過外部磁場驅動，或者需要連接微小的線纜來供電和傳輸訊號。它們更像是被動的傀儡，而非自主的個體。

 

「我們已經成功讓自主機器人縮小了一萬倍，」該論文的資深作者、賓夕法尼亞大學電氣與系統工程系助理教授馬克·米斯金（Marc Miskin）表示，「這為可程式編輯機器人打開了一個全新的尺度。」

 

這款微型機器人的尺寸約為 200 x 300 x 50 微米（0.2 x 0.3 x 0.05 毫米）。為了讓讀者更有概念，一根人類頭髮的直徑大約是 100 微米，這意味著這些機器人的厚度僅約半根頭髮。儘管體積微小，它們卻五臟俱全，集成了太陽能電池、處理器、感測器和執行器，成本更是低廉到每個僅需約一美分（約新台幣 0.3 元）。

 

「身體」的奧秘：在「焦油」中游泳

 

    在微觀尺度下，物理法則的運作方式與我們熟悉的宏觀世界大相徑庭。對於一個只有細菌大小的機器人來說，水不再是自由流動的液體，其黏滯力（Viscosity）大得驚人。米斯金教授形象地比喻道：「在微觀尺度下游泳，就像人類試圖在焦油（Tar）中游泳一樣困難。」

 

傳統的螺旋槳或擺動翼在這種高黏滯環境下效率極低，這也是微型機器人自主運動難以突破的主因之一。為了解決這個問題，研究團隊採用了一種創新的驅動機制 “電動力推進（Electrokinetic Propulsion）”。

 

這項技術的細節同步發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。機器人不需要任何機械式的移動部件（如齒輪或馬達），而是利用自身的電場來推動周圍流體中的離子。當機器人產生電場時，會推動液體中的帶電離子，離子進而推動周圍的水分子，產生反作用力讓機器人前進。這種設計不僅克服了流體的高黏滯阻力，還因為沒有機械磨損部件，使得機器人異常耐用，能夠連續運作數月之久。

 

「大腦」的智慧：75 奈瓦的極限運算

 

    除了創新的動力系統，這款機器人的另一大核心突破在於其搭載的微型電腦。這顆「大腦」源自密西根大學電氣與電腦工程系大衛·布勞（David Blaauw）與丹尼斯·西爾維斯特（Dennis Sylvester）教授團隊開發的技術，是該校著名的「密西根微塵」（Michigan Micro Mote）系列的最新應用。

 

要在如此微小的體積內塞入運算單元，能源效率是最大的考驗。這款微型晶片的功耗極低，僅需 75 奈瓦（Nanowatts）。布勞教授指出，這比現代智慧手錶的功耗低了整整十萬倍。為了在極其有限的能源預算下運作，機器人表面的大部分區域都被太陽能電池覆蓋，這些電池同時也充當光學接收器。

 

「我們必須徹底重新思考電腦的指令集，」布勞教授解釋道。傳統的機器人控制可能需要一長串複雜的程式碼來協調動作，但在這裡，研究團隊將控制推進所需的繁雜指令濃縮為單一的特殊指令，以適應機器人極小的記憶體容量。

 

透過光脈衝（Light Pulses），研究人員可以對這些機器人進行編程和供電。每個機器人甚至擁有獨一無二的識別碼，這意味著研究人員可以向一群機器人發送訊號，但指定只有特定的機器人執行任務。這種個體化的控制能力，是過去依賴全域磁場控制的微型機器人所無法企及的。

 

感知與溝通：微觀世界的「搖擺舞」

 

    這款機器人不只是會動，它還會「感覺」。論文中描述的這批機器人配備了高精度的溫度感測器，能夠檢測到攝氏三分之一度的微小溫差。

 

這種感知能力賦予了機器人自主決策的基礎。例如，它們可以被編程為向溫度較高的區域移動，或者監測環境溫度並回報數據。有趣的是，由於機器人本身沒有無線電發射器（那太耗電且體積太大），它們回報數據的方式非常生物化透過「搖擺舞」（Waggle Dance）。

 

就像蜜蜂透過特殊的舞蹈動作告訴同伴花蜜的位置一樣，這些微型機器人會透過特定的擺動頻率或模式來「告訴」觀察者它們測量到的溫度數據。這展示了一種極具創意的微觀通訊解決方案。

 

潛在應用：從細胞監控到微型工廠

 

    這項技術的誕生，讓科學界對未來的應用充滿了遐想。

 

1. 精準醫療與細胞級監控

    由於這些機器人的尺寸與許多生物細胞相當，它們有潛力進入人體內部，執行前所未有的任務。研究人員設想，未來這些機器人可以被注射到體內，遊走於組織之間，甚至停留在單個細胞旁，長期監測其健康狀況。例如，它們可以偵測特定細胞的溫度變化（發炎或代謝異常的徵兆），從而實現對疾病的早期預警。

 

2. 微觀製造與修復

    除了醫療，工業領域也是潛在的舞台。這些機器人可以像一群訓練有素的工蟻，協同工作來組裝微小的零件，或者修復微機電系統（MEMS）中的微小缺陷。由於它們可以群體協作，未來甚至可能看到由數萬個微型機器人組成的「流體工廠」，能夠根據程式指令改變形狀或功能。

 

未來展望：這只是第一章

 

    儘管成果斐然，研究團隊強調這僅僅是個開始。「這真的只是第一章，」米斯金教授說，「我們已經證明了可以將大腦、感測器和馬達整合到一個幾乎看不見的物體中，並讓它存活和工作數個月。一旦有了這個基礎，你就可以疊加各種智慧和功能。」

 

目前的版本雖然已經具備自主性，但在移動速度、感測器種類以及在更複雜生物流體（如血液）中的導航能力上，仍有進步空間。未來的研究將致力於讓這些機器人游得更快、更聰明，並集成更多種類的感測器，例如化學物質檢測或酸鹼值感測。

 

這項由美國國家科學基金會（NSF）主要資助的研究，不僅是機器人學的一次勝利，也是半導體製程與微流體力學的完美結合。它告訴我們，智慧不一定需要巨大的大腦，強大的力量也不一定來自龐大的身軀。在那個肉眼難以辨識的微觀世界裡，一場悄無聲息的革命正在發生，而這些比塵埃還小的機器人，或許正是重塑未來的關鍵力量。

名詞解釋：

• CMOS（互補式金屬氧化物半導體）： 一種製造積體電路的製程技術，廣泛應用於電腦處理器和記憶體。本研究利用此技術製造微型機器人的「大腦」。
• 雷諾數（Reynolds Number）： 流體力學中的無因次量，用來預測流體流動的情況。在微觀尺度下，雷諾數極低，黏滯力佔主導地位，使得流體表現得像濃稠的糖漿。
• 光脈衝程式編輯（Light Pulse Programming）： 利用光的閃爍模式來傳輸數據和指令的技術，在本研究中用於對機器人寫入程式碼。

 

 

（本文依據 Science Robotics 論文 DOI: 10.1126/scirobotics.adu8009 及相關發布機構資訊撰寫）