2022年5月25日，北京大学未来技术生物医学工程系韩梦迪课题组与美国西北大学John A. Rogers教授、黄永刚教授，以及清华大学张一慧教授组成国际合作团队，在Science Robotics杂志发表了题为“Submillimeter-scale multimaterial terrestrial robots”的论文。

微型机器人在微纳米制造与组装、微创外科手术、细胞与组织操控等领域具有广泛的应用前景。但是，目前的微型机器人大部分仅能在液体环境中运动，很难在固体表面通过远程控制来实现多放向、多模态的运动。为了解决这一问题，韩梦迪课题组联合国内外多家研究团队，共同研发了一款亚毫米尺度、多材料集成、具有复杂三维形貌和运动模式的微型机器人，是世界上最小的遥控步行机器人。这种机器人宽度只有半毫米，可以具有类似螃蟹、蜘蛛、尺蠖、蟋蟀、甲虫等动物的三维仿生形貌。

这种具有复杂三维形貌的微型机器人可以通过并行化的方法制备。首先，通过光刻、刻蚀、薄膜沉积等常规半导体工艺制备平面的机器人图形；之后通过转印和三维屈曲方法将多个平面图形同时转变为三维构型。与传统的机器人不同，这些三维微型机器人不需要复杂的电力或液/气压进行驱动，而是通过远程的激光进行控制的。机器人由聚酰亚胺、形状记忆合金和二氧化硅外壳组成。当激光照射在机器人表面时，会产生局部的温度升高，导致形状记忆合金发生相变，从三维形状转变为初始的平面形状，并带动聚酰亚胺产生形变与位移。当激光移除时，机器人表面温度降低，二氧化硅外壳的弹性回复力会将形状记忆合金重新回弹成三维形状。周期性地用激光加热和冷却机器人的不同部位，则可以实现方向可控的运动。由于这种机器人的体积非常小，降温速率非常快，在1秒内可以往复升降温十余次，从而产生每秒半个身长的定向运动。

通过改变机器人的结构设计和激光加热不同区域的时序，可以实现十分丰富的运动模式，包括弯曲、扭曲、爬行、行走、转弯、跳跃等。例如，当激光从右向左扫描时，会依次加热机器人的右、中、左部分，导致机器人重心向右或向左偏移，从而在左右两侧产生不同的支持力。两侧支持力的差异是机器人实现定向运动的基础，使机器人在激光从右向左扫描时呈现自左向右的定向运动；当激光从左向右扫描时，机器人会沿着相反的方向运动。

如果将角锥棱镜和半透明变色材料集成在这些机器人上，则可以实现额外的定位与遥测功能。其中，角锥棱镜具有独特的几何形状，能够将任意角度的光线沿着入射方向返射。因此，可以在激光旁边放置一个光电探测器，用于检测反射光的强度。当机器人的周围环境发生变化时，半透明变色材料的颜色也会随之发生变化，从而改变光电探测器的输出信号强度。通过设计制备针对湿度、酸碱度、紫外辐照强度的变色材料，则可以基于微型机器人实现这些物理、化学量的远程测量。

这些研究结果为狭窄空间的复杂操控提供了可能性，未来有望应用于工业生产，实现对微小零部件的组装和修复；或应用于在微创手术中，实现清除阻塞、阻值出血、消除肿瘤、定向给药等功能。

上述研究工作得到得到了国家自然科学基金等项目的支持，北京大学未来技术学院韩梦迪研究员、北京理工大学郭晓岗副教授、以及北京大学微电子研究院2015级博士毕业生陈学先为本论文的第一作者，美国西北大学John A. Rogers教授和黄永刚教授、以及清华大学张一慧教授为本论文的通讯作者。微型机器人运动的相关视频可参见韩梦迪课题组网站（http://www.hmd-lab.com/microrobot）。