康乃爾大學的一組研究人員創造了一種新型磁控微型機器人（微型機器人），在可見光衍射極限下運作。這些微型機器人被稱為衍射機器人，可以與可見光波相互作用，但仍然可以獨立移動，因此它們可以機動到特定位置以拍攝影像並測量人體某些最小結構尺度的力。
衍射機器人。圖片來源：智能等人.，doi：10.1126/science.adr2177。
衍射機器人技術首次將不受束縛的機器人與依賴可見光衍射的成像技術連接起來——光波穿過開口或周圍物體時的彎曲。
成像技術需要一個尺寸與光的波長相當的開口。
為了讓光學元件發揮作用，機器人必須達到這樣的規模，為了讓機器人到達目標進行成像，它們必須能夠自行移動。
透過磁鐵的擠壓運動控制，機器人可以在固體表面上向前蠕動。它們還可以使用相同的動作在液體中“游泳”。
可操縱性、靈活性和亞衍射光學技術的結合創造了機器人領域的重大進步。
康乃爾大學教授保羅·麥克尤恩 (Paul McEuen) 表示：“步行機器人足夠小，能夠有效地與光交互並塑造光，將顯微鏡的鏡頭直接放入微觀世界。”
“它可以以普通顯微鏡無法做到的方式進行近距離成像。”
「這些機器人的尺寸在 2 到 5 微米之間。它們很小。我們可以透過控制驅動它們運動的磁場來讓它們做我們想做的任何事情。
「我對微機器人技術和微光學技術的融合感到非常興奮，」康乃爾大學的 Francesco Monticone 博士說。
“機器人技術的小型化終於達到了這樣的程度：這些驅動機械系統可以在幾個波長的範圍內與光相互作用並主動塑造光——比一米小一百萬倍。”
為了以磁力驅動這種規模的機器人，團隊用數百個奈米級磁鐵對機器人進行了圖案化，這些磁鐵具有相同體積的材料，但有兩種不同的形狀——長而薄，或短而粗。
康乃爾大學教授伊泰·科恩表示：「又長又細的物體需要更大的磁場才能將它們從指向一個方向翻轉到指向另一個方向，而短而粗的物體則需要更小的磁場。 」
“這意味著你可以施加一個大的磁場來讓它們全部對齊，但如果你施加一個較小的磁場，你只能翻轉短而粗的那些。”
為了創造機器人，作者將此原理與非常薄的薄膜結合。
「主要的光學工程挑戰之一是為這個特定平台找出最適合三項任務的方法——調整光、聚焦和超分辨率成像，因為「不同的方法有不同的性能權衡，這取決於微型機器人的工作方式可以移動和改變形狀，」蒙蒂科內博士說。
「能夠機械地移動衍射元件以增強成像是有好處的，」科恩教授說。
機器人本身可以用作衍射分級，也可以添加衍射透鏡。透過這種方式，機器人可以充當從上方俯視的顯微鏡鏡頭的局部延伸。
機器人透過使用相同的磁鐵驅動的擠壓運動來測量力，使它們能夠行走以推動結構。
「這些機器人是非常柔順的彈簧。因此，當有東西推擠它們時，機器人就會擠壓，」科恩教授說。
“這改變了衍射圖案，我們可以很好地測量它。”
力測量和光學能力可應用於基礎研究，如探索 DNA 結構；或者它們可能被部署在臨床環境中。
「展望未來，我可以想像成群的衍射微型機器人在走過樣品表面時執行超分辨率顯微鏡和其他感測任務，」蒙蒂科內教授說。
“我認為我們實際上只是觸及了這種將機器人和光學工程結合到微觀尺度的新範式的表面。”
這學習發表在雜誌上科學。
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康拉德·L·斯瑪特等人。 2024.磁編程繞射機器人。科學386（6725）：1031-1037； DOI：10.1126/science.adr2177
