由在開姆尼茨理工大學(xué)（TU Chemnitz）和萊布尼茨IFW德累斯頓工作的奧利弗·施密特（Oliver Schmidt）博士領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組最近開發(fā)了一種微軌道系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用范圍，可以完成從微外科手術(shù)到向人類運送貨物的所有工作。該機器人在《Nature Electronics》上發(fā)表的一篇論文中提出，它基于將近十年前同一研究團隊提出的想法。
施密特說：“我們首先開始探索創(chuàng)建微型機器人系統(tǒng)的想法，該系統(tǒng)由功能強大的噴氣發(fā)動機自行驅(qū)動，并在船上裝有微電子組件。我們最初的想法是建立一個能夠與單個生物細胞相互作用的智能自推進微系統(tǒng)，該單個生物細胞的大小與微系統(tǒng)本身相似。該系統(tǒng)應(yīng)該能夠移動，感知環(huán)境，運輸貨物，運送藥物并攜帶進行顯微手術(shù)。”
自從施密特（Schmidt）和他的同事們首次提出微機器人系統(tǒng)的概念以來，他們的團隊和世界各地的其他幾個人就嘗試創(chuàng)建類似的技術(shù)，主要是在體外。然而，事實證明，在人體內(nèi)部實施此類系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性。實際上，為了完成體內(nèi)的任務(wù)，需要從外部控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)收集的信息（例如診斷數(shù)據(jù)）應(yīng)易于傳達給外部世界。
施密特解釋說：“要使微型機器人系統(tǒng)在人體中發(fā)揮作用，它應(yīng)包含電能，傳感器，致動器，天線和微電子電路。我們最近工作的主要目標(biāo)是朝著這個最終目標(biāo)邁出一大步；當(dāng)然，是以簡化的方式。”
Schmidt和他的同事通過將微電子元件和納米電子元件集成在芯片表面上來制造其靈活的微系統(tǒng)，其方式類似于使用硅技術(shù)構(gòu)建計算機芯片的方式。但是，它們的系統(tǒng)與常規(guī)計算機芯片之間的主要區(qū)別在于，前者的設(shè)計包括使用大約20年前采用的方法制造的噴氣發(fā)動機，這種方法通常不用于主流微電子技術(shù)的開發(fā)中。
施密特說：“訣竅在于將應(yīng)變極高的薄材料放在芯片上，當(dāng)它們從芯片表面分層時，它們會迅速回卷成瑞士卷微管結(jié)構(gòu)。這個程序可以很好地控制，以便使卷起的微管在微機器人系統(tǒng)的相對兩側(cè)牢固連接。如果這些微管內(nèi)部涂有鉑，一旦鉑進入，催化反應(yīng)就會產(chǎn)生氧氣氣泡接觸含有少量過氧化氫（H 2 O 2）的水溶液。”
由于施密特和他的同事使用的非常規(guī)設(shè)計策略，當(dāng)將微型機器人系統(tǒng)放置在含有過氧化氫(H2O2)的水溶液中時，溶液進入其兩個微管，產(chǎn)生氧泡。然后，這些氣泡被推到微管末端的外面，通過一種稱為射流推進的機制加速系統(tǒng)。
施密特說：“這種噴氣推進原理是我們小組在12年前提出的。但是，像我們目前的工作中那樣的雙噴氣發(fā)動機以前從未被制造過。”
研究人員的噴氣推進策略的核心催化反應(yīng)可以通過改變噴氣發(fā)動機的溫度來控制。高溫產(chǎn)生更多的氣泡和更強的推力。低溫則氣泡少、推力弱。
Schmidt和他的同事通過施加流經(jīng)連接到發(fā)動機的電阻性元件的電流來控制兩個噴氣發(fā)動機之一的溫度。溫度的變化增加了其中一個噴氣發(fā)動機中產(chǎn)生的氣泡的數(shù)量和隨后的推力，這又使系統(tǒng)可以向右或向左轉(zhuǎn)。
施密特說：“您可能會問自己，我們?nèi)绾翁峁┘訜犭娮柙碾娏?。為此，我們在微型系統(tǒng)中集成了一個微小的天線，該天線可以從外部通過無線能量饋電（類似于您手機的無線感應(yīng)充電）。因此，船上可以使用電能，這是全新的這么小的自走式微型機器人。”
施密特和他的同事開發(fā)的微型機器人也有一個小手臂，可以抓住并釋放周圍的小物體。當(dāng)系統(tǒng)溫度變化時，小臂會執(zhí)行不同的動作，彎腰抓住物體，或者彎腰釋放物體。
施密特說：“這種集成的機械臂對于自推式微系統(tǒng)也是全新的功能。最后，微型機器人可以在板上安裝一個微小的紅外LED，該紅外LED可以通過無線傳輸?shù)哪芰縼泶蜷_。該LED可能對跟蹤體內(nèi)的微型機器人很有用。在移動微型機器人上打開和關(guān)閉微型LED從未之前顯示過。”
施密特及其團隊開發(fā)的微型機器人系統(tǒng)是由高度靈活的材料制成的。這意味著它可以彎曲或變形而不會損壞，因此它甚至可以穿過人體中的毛細血管或其他小通道，并繼續(xù)正常運行。
將來，這個新系統(tǒng)可能會具有更多有價值的應(yīng)用場景。例如，它可以完成需要高精度的人體內(nèi)部任務(wù)，包括外科手術(shù)或診斷程序。
施密特說：“我們已經(jīng)證明，電能可以無線傳輸?shù)匠⌒臀⑿蜋C器人系統(tǒng)，并且該電能可以用于執(zhí)行有用的任務(wù)：遠程操縱微型機器人或打開和關(guān)閉紅外LED。下一步工作是在血液等生物流體中運行該系統(tǒng)。因此，發(fā)動機的構(gòu)造需要略有不同。”
論文標(biāo)題為《A flexible microsystem capable of controlled motion and actuation by wireless power transfer》。
