編者按：

隨著技術的不斷發展，機器人已經越來越常見。許多科幻電影中的場景正在逐步成為現實。機器人在醫學領域的應用越來越多元，體積也變得越來越小，那麼未來機器人將會變得多迷你呢？又會有哪些應用呢？

今天，我們共同關注微型機器人。希望為相關的產業人士和諸位讀者帶來一些啟發和幫助。

微型機器人

在不遠的將來，治療疾病的外科醫生可能是遊走於我們身體之中的微型機器人，它們將能追蹤腫瘤或清除細窄動脈中的血凝塊。

這聽起來很像科幻小說，但是你沒看錯：像《神奇旅程》和《驚異大奇航》這樣的電影長期以來一直在展示「將機器縮小到單個細胞大小」的想法——然而在過去的幾年裡，機器人技術和材料科學的進步使這個想法越來越接近現實。

蘇黎世聯邦理工學院的機器人學家Bradley Nelson在他的職業生涯中一直致力於創造像這樣的微型設備。他說，雖然工程師們已經製造出小於微生物且可以四處移動並感知周圍環境的機器人，但這些機器人仍然需要由人遠程控制。

Nelson表示，下一個主要挑戰是讓這些機器具備某種形式的智能，這樣它們就可以獨立完成工作，而不需要人類操作員。

然而，創造一個真正智能的微型機器人究竟需要什麼呢？以及如何在現實世界中使用它？這些是2022年Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems中一篇文章的作者提出的問題。

Nelson是這篇文章的作者之一，他在接受Knowable Magazine採訪時談到了為什麼前景如此艱難以及微型智能機器的未來可能是什麼樣子。以下是採訪內容：

Q1：您如何定義微型機器人？我們說的「微型」有多小？

答：一般來說，任何大小的機器人都是在某一不確定的環境中工作的設備；它能適應周圍環境，可以四處移動以實現目標。

回答這一問題的經典方式需要回歸到機器人技術的三大核心支柱：首先，是感知——機器人必須以某種方式收集它周圍世界的信息；其次，是運動——它必須有某種驅動機制，以便其與所處世界互動；第三，是計算——它必須弄清楚在什麼時候應該採取什麼行動。

在我的工作中，我通常會嘗試將這些元素構建到與單個細胞差不多大小（最大寬度達幾百微米）的機器中。

我對比這更小的東西不感興趣。一旦達到微米以下，主導環境的物理因素就會發生變化。你必須開始考慮布朗運動、原子和分子的隨機運動等影響設備的因素。這是你的機器人與環境的主要互相作用，於是這項工作將變得更像化學，而不是機器人學。

Q2：對於您正在嘗試構建的微型機器人，「智能」的真正含義是什麼？您對如此小的設備的期待是什麼？

答：這是一個有趣的哲學問題。有很多方法可以定義它，但是當我闡述某些東西具有智能時，這是一個非常擬人化的觀點。我是否對它的行為以及它適應環境的方式感到驚訝？它是否以我認為的引人注目和有趣的方式做事？如果它正在適應，我會認為這其中存在一定的智能。

例如，看看像大腸桿菌這樣的細菌。每個細菌的身體都是一個細胞，可能有一兩微米長。細菌的表面有化學感受器，可以感知周圍的胺基酸或其他營養物質。還有一條通向鞭毛（可以讓細菌旋轉的附屬物）的通路，以幫助細菌改變其在胃腸道或生活的其他任何地方的遊動方式。

它還內設有「軟體」：漂浮在其中的 DNA 片段控制著大腸桿菌如何重建或修復自身以維持生命。

所以在某種程度上，它是大自然的微型機器人：它有傳感器、通信路徑、傳感算法、引導電機的控制軟，而且它還在做出基本的決定。

事實上，大腸桿菌在這一方面做得非常好，以至於一些機器人專家正在利用它作為他們設備的一部分。他們往往會把他們的微型機器人拴在微生物上，從而幫助這些機器人實現感應和運動。

Q3：您的微型機器人是否從細菌中獲得靈感？

答：絕對的。細菌的導航方式令人難以置信，它們使用了我從未想過的絕妙策略——起初，它們只是隨意地四處走動，但當它們開始感覺到一些好東西，比如胺基酸或其它營養物質時，它們會游得更久一點，這往往會使細菌逐漸朝著存在好東西的方向移動。

這就是我們所說的「有偏見的隨機遊走」。 作為一名工程師，你會覺得，「哦，那很好。」它們基本上是遵循一個化學梯度。

你可以想像製造可以做同樣事情的微型機器人：例如，它們可能會遵循溫度梯度、pH梯度或某種疾病的化學特徵。

所以，是的，我很受自然世界的啟發。微小的有機體進化出了如此豐富、複雜的「智能」行為。如果我能找出一種方法，在機器人中複製細菌的一些行為，那將非常令人興奮。

Q4：為了製造這樣的機器人，需要克服哪些障礙？

答：哦，有很多。自2003年以來，我一直在嘗試製造微型機器人。起初，我們只是想弄清楚如何讓這些東西移動，以及如何控制它們。隨後我們開始思考，它們可以實現什麼功能？可以在設備上添加什麼樣的化學物質或功能？有沒有辦法給它們某種自主性？

我們仍在研究最後一個問題。我們已經開始探索能夠以某種方式對環境做出反應的聚合物和材料，例如通過自動改變它們的形狀，以便它們能夠通過狹窄的區域或實現類似的事情。

但最大的障礙實際上是將所有不同的組件整合在一起。為了取得成功，微型機器人必須感知並響應環境以完成特定任務。

Q5：假設我們能做到這一點，您認為微型機器人會如何應用於現實世界？這些機器人會如何改進現有技術？

答：我認為我們首先看到的應用會出現在醫學領域。這是一個合乎邏輯的進展。我們已經在使用越來越小的醫療設備和機器人進行手術。與其他技術相比，微型機器人可以更深入地進入患者體內並造成更小的創傷。例如，其可以深入大腦以治療動脈瘤或清除血栓。

未來，我們將繼續看到這項技術進一步發展，但這些設備的微小程度是有限的。

下一步自然是把微型機器人放入體內，讓其進入微小的空間並在早期治療疾病。

想像一下一種可以進入到人體肺部，並在癌症擴散之前發現並治療癌症的設備。或者治療現有導管無法到達的大腦深處的血栓——簡單的微型機器人可能可以移動到阻塞區域並幫助疏通阻塞。

Q6：這類任務聽起來相當複雜。需要某種人工智慧來完成這些工作嗎？

答：不，目前還不用。我的意思是，現在，將人工智慧放入微型機器人是不可能的。對於這么小的東西來說，人工智慧的計算量太大了。不過，如果可以實現的話，那將非常酷，我相信我們可以想出一些應用，但這超出了我的研究範圍，也許我這一生都難以實現。

不過，重要的是要注意，在這些情況下，我們實際上也許並不需要像人工智慧這樣強大的東西。您仍然可以使用簡單的智能形式和自主決策來構建一個非常有用的微型機器人。如果你有能夠識別環境變化並改變其行為以做出響應的微型設備，那麼你就可以利用它們做一些令人驚嘆的複雜事情。

例如，提供化學療法：如果微型機器人可以檢測腫瘤的pH或溫度梯度，它們就可以向那個方向緩慢移動，並將劇毒藥物直接釋放到癌組織中，而不會釋放到身體的其它部位。

像這樣的設備可能只有微生物的智能水平，但對於疾病檢測和藥物輸送仍然非常有效。作為一名工程師，我始終牢記這一目標：我應該用最簡單的方式來設計一台機器，並使其能夠完成某項任務。它不一定會下棋，它只需要能完成工作。

Q7：您認為微型機器人在不久的將來會被商業化使用嗎？如果是這樣，您認為這個目標還有多遠？

答：是的，每個人都想知道還需要多久！我以前總是說我們還要五年的時間。現在我說的是三年。雖然仍然存在很多不確定性，但時間正在縮短。

該領域的其他人正在以越來越小的規模製造電子產品——將小型電晶體和其他東西放在微型機器人上，並直接在其中構建電路。我們開始意識到我們可以直接在微型機器人上嵌入一些基本的計算元素。

問題是，它們最終需要多少計算量？它們需要多少板載內存？你希望它們能學多少東西？

以我們現有的技術，相信在可預見的未來，製造微型機器人將會變得非常簡單。

原文連結：

https://knowablemagazine.org/article/technology/2022/making-microbots-smart

作者：David Levin

審校：617

編輯：晴晴大人