今年3月份，国际顶级学术期刊《科学·机器人学》报道了一种可在溶液中工作的、微米尺度的电控微型机器人（图中的“千纸鹤”）。这项研究的第一作者是来自美国康奈尔大学的中国学者刘清坤。
Science Robotics 封面（来源：Science Robotics）
微米到底是多小呢？一根头发丝直径大约是50~100微米，这款电控微型机器人大约是一根头发丝的直径大小。如此小尺寸的机器人是如何工作的呢？打量一下这只“千纸鹤”，不难发现，想让其动起来，只需要对“翅膀”与“躯干”连接的部位（以下简称连接部位）进行可控的弯折即可，这样就等同于“千纸鹤”在挥动翅膀。也就是说，连接部位才是核心。而这核心部位竟是由铂金（以下用Pt代替）构成的！
当然了，这里的铂和生活中做成首饰的铂有些区别。打磨成首饰的铂是大块的、肉眼可见的，而这只微型千纸鹤中的铂则是纳米尺寸。纳米是一个长度单位，它是一千分之一微米，远小于肉眼的观测极限。一根头发丝的直径大约是五万纳米。连接部位的Pt实际上是一层7纳米厚的Pt薄膜，而这层薄膜生长在惰性层（inert layer）之上。由于Pt薄膜自身和惰性层之间存在特定的应力，Pt薄膜会形成弯曲的状态。将Pt薄膜进行氧化，这种应力会被消除掉，薄膜将会变成水平的状态。如果能可控地对Pt薄膜进行氧化和还原的循环，薄膜就可以从弯曲状态到水平状态循环变化，那么就可以实现千纸鹤扇动翅膀的功能了。
那么，如何控制Pt薄膜氧化还原的过程呢？这款微型机器人是在溶液环境中工作的，这恰恰是实现Pt薄膜可控氧化还原过程的关键。将Pt薄膜放置在溶液中（学者刘清坤用的是磷酸盐缓冲液），对薄膜施加正电压，溶液中的氧离子会在电场的驱动下吸附在Pt薄膜表面，进一步和薄膜发生氧化反应，形成PtOx（这里由于不能确定氧化后薄膜中Pt和O的比例关系，无法给出准确的配比，所以用PtOx表示，x即表示氧原子的占比是未知的）。相反，对薄膜施加负电压，薄膜会发生还原反应，氧离子又会回归到溶液中，PtOx又重新回到了Pt状态。通过实验探索，研究人员最终选用+1.1V和-0.5V的电压来控制Pt薄膜的氧化还原过程。并且，该过程的响应速度极快，只需约100毫秒。
如此高大上的微型机器人，是不是很难实现量产呢？其实不然，因为此款机器人是依靠现有的微电子加工工艺制作出来的。换言之，如果想要批量生产此款机器人，现有的芯片制造公司就可以完成。
微型机器人在医学、微观环境探测等领域具有重要的应用意义，有可能协助医生在人体内部进行手术；协助患者将特定成分的药物送往体内指定位置；协助人们探索难以触及的微观环境，比如核泄漏事故地点。未来，希望微型机器人有更广泛的应用空间，为我们的生活带来更多的便利。
作者：山东大学物理系博士任正峰
