康奈尔大学的一组研究人员创造了一种新型磁控微型机器人（微型机器人），其在可见光衍射极限下运行。这些微型机器人被称为衍射机器人，可以与可见光波相互作用，但仍然可以独立移动，因此它们可以机动到特定位置以拍摄图像并测量人体某些最小结构尺度的力。
衍射机器人。图片来源：智能等人.，doi：10.1126/science.adr2177。
衍射机器人技术首次将不受束缚的机器人与依赖于可见光衍射的成像技术连接起来——光波穿过开口或周围物体时的弯曲。
成像技术需要一个尺寸与光的波长相当的开口。
为了让光学器件发挥作用，机器人必须达到这样的规模，并且为了让机器人到达目标进行成像，它们必须能够自行移动。
通过磁铁的挤压运动控制，机器人可以在固体表面上向前蠕动。它们还可以使用相同的动作在液体中“游泳”。
可操纵性、灵活性和亚衍射光学技术的结合创造了机器人领域的重大进步。
康奈尔大学教授保罗·麦克尤恩 (Paul McEuen) 表示：“步行机器人足够小，能够有效地与光交互并塑造光，将显微镜的镜头直接放入微观世界。”
“它可以以普通显微镜无法做到的方式进行近距离成像。”
“这些机器人的直径在 2 到 5 微米之间。它们很小。我们可以通过控制驱动它们运动的磁场来让它们做我们想做的任何事情。”
“我对微机器人技术和微光学技术的融合感到非常兴奋，”康奈尔大学的 Francesco Monticone 博士说。
“机器人技术的小型化终于达到了这样的程度：这些驱动机械系统可以在几个波长的范围内与光相互作用并主动塑造光——比一米小一百万倍。”
为了以磁力驱动这种规模的机器人，该团队用数百个纳米级磁铁对机器人进行了图案化，这些磁铁具有相同体积的材料，但有两种不同的形状——长而薄，或短而粗。
康奈尔大学教授伊泰·科恩说：“又长又细的物体需要更大的磁场才能将它们从指向一个方向翻转到指向另一个方向，而短而粗的物体则需要更小的磁场。”
“这意味着你可以施加一个大的磁场来让它们全部对齐，但如果你施加一个较小的磁场，你只能翻转短而粗的那些。”
为了创造机器人，作者将这一原理与非常薄的薄膜结合起来。
“主要的光学工程挑战之一是为这个特定平台找出最适合三项任务的方法——调整光线、聚焦和超分辨率成像，因为“不同的方法有不同的性能权衡，具体取决于微型机器人如何移动和改变形状，”蒙蒂科内博士说。
“能够机械地移动衍射元件以增强成像是有好处的，”科恩教授说。
机器人本身可以用作衍射分级，也可以添加衍射透镜。通过这种方式，机器人可以充当从上方俯视的显微镜镜头的局部延伸。
机器人通过使用相同的磁铁驱动的挤压运动来测量力，使它们能够行走以推动结构。
“这些机器人是非常柔顺的弹簧。因此，当有东西推动它们时，机器人就会挤压，”科恩教授说。
“这改变了衍射图案，我们可以很好地测量它。”
力测量和光学能力可应用于基础研究，如探索 DNA 结构；或者它们可能被部署在临床环境中。
蒙蒂科内教授说：“展望未来，我可以想象成群的衍射微型机器人在走过样品表面时执行超分辨率显微镜和其他传感任务。”
“我认为我们实际上只是触及了这种将机器人和光学工程结合到微观尺度的新范式的表面。”
这学习发表在杂志上科学。
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康拉德·L·斯玛特等人。 2024.磁编程衍射机器人。科学386（6725）：1031-1037； DOI：10.1126/science.adr2177
