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协助操作，探索核泄漏现场！微型机器人有点酷

大学仕 2021-06-28 14:30

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　　今年3月，国际顶级学术期刊《科学·机器人学》报道了一种可以在溶液中工作的微型电控微型机器人“纸鹤”。这项研究的第一作者是来自康乃尔大学的中国学者刘庆坤。
　　微米到底有多小？一根头发的直径约为50~100微米，这个电控微型机器人的直径约为一根头发。这么小的机器人是怎么工作的？看着这个“纸鹤”，不难发现，想要它动起来，只需要可控地弯曲“翅膀”和“躯干”之间的连接部分（以下简称连接部分），就相当于“纸鹤”挥舞着翅膀。也就是说，连接部分是核心。而且这个核心部分其实是铂金的（下面换成了Pt）！

　　当然，这里的铂金和生活中用来做首饰的铂金还是有些区别的。打磨成首饰的铂金很大，肉眼可见，而这个微型纸鹤里的铂金是纳米级的。纳米是长度单位，是千分之一微米，远小于肉眼的观察极限。一根头发的直径约为50，000纳米。接头处的Pt实际上是7 nm厚的Pt薄膜，这个薄膜生长在一个惰性层上。由于铂膜本身和惰性层之间的特定应力，铂膜会弯曲。氧化铂膜会消除应力，使膜变得水平。如果能控制Pt薄膜氧化还原，薄膜就能从弯曲状态循环变化到水平状态，进而实现纸鹤扑翼的功能。
　　那么，如何控制Pt薄膜的氧化还原过程呢？该微型机器人工作在溶液环境中，是实现铂薄膜可控氧化还原过程的关键。将铂膜放入溶液中（学者刘清坤使用磷酸盐缓冲溶液），并在膜上施加正电压。溶液中的氧离子会在电场的驱动下吸附在Pt膜表面，进一步与膜发生氧化反应，形成PtOx（这里由于氧化膜中Pt和O的比例无法确定，无法给出确切的比例，所以用PtOx表示，也就是说氧原子的比例未知）。相反，当对薄膜施加负电压时，薄膜会发生还原反应，氧离子回到溶液中，PtOx又回到Pt状态。通过实验探索，研究人员最终选择了1.1V和-0.5V来控制Pt薄膜的氧化还原过程。而且这个过程的响应速度极快，只需要100毫秒左右。这么高的微型机器人很难实现批量生产吗？其实不是，因为这个机器人是用现有的微电子加工技术制造出来的。换句话说，如果你想批量生产这个机器人，现有的芯片制造公司可以做到。
　　微型机器人在微环境检测、医学等领域都具有重要的应用意义，可以辅助医生在人体内部进行手术；协助患者将含有特定成分的药物送到体内指定位置；帮助人们探索无法进入的微环境，如核事故现场。未来，我们希望微型机器人有更广阔的应用空间，给我们的生活带来更多的便利。