中國(guó)科學(xué)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(nèi)病毒｜專訪

千紙鶴也能自動(dòng)折疊？并且比你的發(fā)絲直徑還小？

這不是想象，而是被中國(guó)學(xué)者劉清坤聯(lián)合多位納米科學(xué)家實(shí)現(xiàn)的科研成果。近日，世界最小千紙鶴誕生于康奈爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)，相關(guān)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(jí)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(shí)間內(nèi)，它就會(huì)自動(dòng)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(jī)器人建造上邁出的重要一步。

微型機(jī)器人建造迎來(lái)重要一步

當(dāng)前，研發(fā)波士頓機(jī)器狗等大型機(jī)器人并不難，但在設(shè)計(jì)細(xì)胞大小的機(jī)器人上，業(yè)內(nèi)一直鮮有建樹(shù)。

微型機(jī)器人和大型機(jī)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(dǎo)體工藝，工程師們可輕易設(shè)計(jì)和制造以上元件，而適用于微型機(jī)器人的、具有形狀記憶功能的微型驅(qū)動(dòng)器，則是長(zhǎng)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(qū)動(dòng)器？

這得先從形狀記憶效應(yīng)說(shuō)起，在撤去溫度、光線、磁場(chǎng)等外部刺激時(shí)，一些材料依然能保有臨時(shí)形狀、被刺激后也仍能恢復(fù)到原始形狀。

當(dāng)用在機(jī)器人和醫(yī)療植入物中，這種驅(qū)動(dòng)器即便沒(méi)有持續(xù)供電，也能保持形狀。而要想微型驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人的 “大腦” 兼容，就必須使用由 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）晶體管控制的微型驅(qū)動(dòng)器。

此前的同類驅(qū)動(dòng)器，一般使用陶瓷、合金和聚合物等打造，而由標(biāo)準(zhǔn) CMOS 電路驅(qū)動(dòng)的微米級(jí)形狀記憶驅(qū)動(dòng)器，很難使用上述材料進(jìn)行制備。

為此，劉清坤提出了用鉑金屬薄膜表面電化學(xué)氧化還原的方法，制備出一種電控形狀記憶驅(qū)動(dòng)器，其厚度僅有約 30 個(gè)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(qū)動(dòng)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(dāng)施加高電壓時(shí)，鉑的暴露面會(huì)被氧化，這時(shí)氧原子會(huì)嵌入鉑的暴露面中，因此鉑的暴露面就會(huì)伸長(zhǎng)，而另一面的長(zhǎng)度不變，整個(gè)結(jié)構(gòu)也會(huì)因此變彎。

而且，嵌到鉑中的氧原子會(huì)形成一個(gè)壁壘，從而避免擴(kuò)散出來(lái)，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(lái)源。

反過(guò)來(lái)，如果施加低電壓，鉑里面的氧原子就會(huì)被 “掃地出門(mén)”，此時(shí)再把電壓撤掉，驅(qū)動(dòng)器依然可保持原狀。

概括來(lái)說(shuō)，無(wú)論處于鉑的氧化態(tài)、還是還原態(tài)，撤掉電壓后，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器？

劉清坤告訴 DeepTech，要想做一個(gè)微納米機(jī)器人，得有作為 “大腦”的控制電路，還得有作為 “手腳” 的驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)。

一般來(lái)說(shuō)，微型驅(qū)動(dòng)器有幾種基本要求：

• 一是必須得小，一般細(xì)胞大小為 10 微米左右，因此微型驅(qū)動(dòng)器的彎曲半徑最好不到 1 微米，這樣才能做出細(xì)胞大小的微型機(jī)器人；

• 二是由電來(lái)驅(qū)動(dòng)，目前業(yè)內(nèi)有很多微型驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)形式也很多，比如光驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)、化學(xué)驅(qū)動(dòng)等。使用其他驅(qū)動(dòng)方法，只能通過(guò)外界操作來(lái)讓機(jī)器人做動(dòng)作，這樣更像是一個(gè)提線木偶。而使用電控驅(qū)動(dòng)法，可讓驅(qū)動(dòng)器和集成電路相結(jié)合，傳感器和控制電路也可放在微型機(jī)器人身上，這樣它就是一個(gè)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(shù)讓其執(zhí)行更多任務(wù)；

• 三是速度必須要快，本次研究的微型驅(qū)動(dòng)器不到 100 毫秒就可作出反應(yīng)；

• 四是耐用性要好，本次微型驅(qū)動(dòng)器折疊幾千次都沒(méi)問(wèn)題；

• 五是能量消耗要低，本次具有形狀記憶功能的的微型驅(qū)動(dòng)器可大幅減小微型機(jī)器人的能量消耗。

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

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

紙?jiān)奖?，折痕越?/strong>

通常來(lái)講，一個(gè)納米 “鉑 - 惰性層” 組成的微型驅(qū)動(dòng)器，只能向一個(gè)方向彎曲，當(dāng)改變納米鉑膜和惰性層的沉積順序后，微型驅(qū)動(dòng)器就可向另外一個(gè)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(shuō)，紙張?jiān)奖。鄣那Ъ堹Q就越小，因?yàn)楸〖堈酆劭梢宰龅梅浅＜?xì)。

常見(jiàn)的 A4 紙大約有 10 萬(wàn)個(gè)原子那么厚，而本次千紙鶴用的 “紙” 只有 30 個(gè)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?yàn)樗腥ぁ?，他說(shuō)當(dāng)發(fā)現(xiàn)這種新型驅(qū)動(dòng)器可用于做折紙時(shí)，來(lái)自中國(guó)的他的第一反應(yīng)就是做千紙鶴。

雖然論文中也演示了微型力學(xué)超材料和微型機(jī)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(xué)結(jié)合起來(lái)！

他補(bǔ)充稱，該千紙鶴兼具技術(shù)和藝術(shù)，它由具有傳奇色彩的折紙大師 Robert Lang 設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化版千紙鶴。Robert 在加州理工學(xué)院物理學(xué)博士后，曾就職于 NASA，后來(lái)辭職專門(mén)研究折紙中的科學(xué)和藝術(shù)。

作為劉清坤的合作者，當(dāng) Robert Lang 看到折紙?jiān)O(shè)計(jì)能用到微納米機(jī)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(gè)晶圓能做上百萬(wàn)個(gè)微型折紙，因此千紙鶴的平均價(jià)格不到一分錢(qián)。

未來(lái)可用于掃除人體內(nèi)病毒等

想象一下，和我們?nèi)祟愄幱谙嗨瞥叨壬系某Ｒ?guī)機(jī)器，比如掃地機(jī)器人、工廠里的機(jī)械臂、各種汽車(chē)和飛行器，它們的重要性已經(jīng)不言而喻。

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

本次千紙鶴也給他未來(lái)的目標(biāo)打開(kāi)了一扇門(mén)，比如做成微型掃地機(jī)器人，來(lái)掃除人體內(nèi)的病毒或癌細(xì)胞；還可做成微型工廠，來(lái)合成和組裝納米材料；更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，還可把微納米機(jī)器人送到火星去改造自然環(huán)境，讓人類早日實(shí)現(xiàn)火星移民。

不過(guò)，相比起這些應(yīng)用，劉清坤更關(guān)心的是微型機(jī)器人背后的科學(xué)問(wèn)題。他說(shuō)，自然界發(fā)展出了復(fù)雜而智能的生命系統(tǒng)，并由各種微納米機(jī)器協(xié)同運(yùn)作，從而形成了生命和智慧。

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

此前，劉清坤所在團(tuán)隊(duì)曾有一款世界上最小的行走機(jī)器人獲得了吉尼斯世界紀(jì)錄，本次折紙鶴也有望申請(qǐng)世界上最小的千紙鶴。

之所以有這種自信，是因?yàn)橛行螤钣洃浀奈⑿万?qū)動(dòng)器擁有世界上最小的彎曲半徑，目前尚無(wú)其他研究團(tuán)隊(duì)能做到如此小的尺寸。

概括來(lái)說(shuō)，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(xué)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(shuō)做科研興趣最重要，從本科到現(xiàn)在幾次轉(zhuǎn)換科研方向，都是因?yàn)?strong style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">后面的研究方向，能回答之前回答不了的問(wèn)題。

在電子科技大學(xué)讀本科期間，他非常癡迷于電子設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)各種嵌入式系統(tǒng)和機(jī)器人，還獲得了全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)。

但是，他并不滿足于只用商用芯片來(lái)設(shè)計(jì)各種應(yīng)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(xué)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(zhì)。

隨著研究的深入，他覺(jué)得這些納米材料其實(shí)很 “迷人”，發(fā)了去進(jìn)一步探索、并控制它們的愿望。隨后，他轉(zhuǎn)入智能材料和軟材料研究領(lǐng)域，在科羅拉多大學(xué)做博后研究期間，他發(fā)明了一款能利用電場(chǎng)調(diào)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(jī)貼膜一樣貼在窗戶上，就能防止房?jī)?nèi)熱量透過(guò)窗戶的散失。基于此，他申請(qǐng)了多項(xiàng)美國(guó)專利并授權(quán)給一家公司生產(chǎn)。

后來(lái)，他又來(lái)到康奈爾大學(xué)做博后研究，他說(shuō)此次成果“完美結(jié)合了此前的背景”，并表示“還有什么把用微電子技術(shù)控制的微型機(jī)器人更智能的材料呢？”

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