欧洲机器人博士论文发表

作者/文龙

如果你想构建一个功能齐全的纳米级机器人，只需要将电子电路、传感器、天线等一系列元件进行整合；但如果您想让它动起来，就需要能够弯曲的材料。

康奈尔大学的研究团队创造出微米大小的形状记忆驱动器，只需提供快速震荡电压，就可使原子大小厚度的平面材料能够自行折叠成立体的3D 构造。并且，一旦材料弯曲，即使是去除电压也能持续保持形状。

研究成果于3月17日以「用于低功率微型机器人的微米级电可编程形状记忆驱动器」（ Micrometer-Sized Electrically Programmable Shape Memory Actuators for Low-Power Microrobotics ）为题发表在《科学·机器人》（ Science Robotics ）杂志上，并登上了杂志封面。论文的主要作者是博士后研究员刘清坤和博士生王伟。

形状记忆效应是指某些材料在暴露于诸如温度、电磁场或光等外部刺激时保持临时的特定形状并恢复其原始形状的能力。

理想的可以集成到微型智能系统中的形状记忆驱动器具有多个挑战：材料应能够长时间保持形状，能够被电驱动以及可弯曲至微米级的曲率半径。另外，应该使用与现代半导体制造相一致的技术来制造它，以实现与现有电子设备的集成。

该团队研发出的纳米器件由一层纳米厚的铂薄膜组成，该薄膜在一侧被钝化层覆盖，通过对铂表面施加正向电压进行电化学氧化，使得氧化层中产生导致弯曲的应变。由于嵌入的氧原子会聚在一起形成势垒，阻止其扩散出去，该器件甚至可以在停止施加电压后仍能保持形状。

通过向设备施加负电压，研究人员可以去除氧原子，并迅速将铂还原为原始状态。通过改变面板的图案，以及铂是暴露在顶部还是底部，可以创建一系列折纸结构。

这种形状记忆驱动器不仅可以在100 ms内快速折叠，还可以重复折叠数千次。不需供电即可长时间的保持形状，使其可以在最大程度上降低功耗，这对微型机器人来说十分有利。

该驱动器还具有很强的柔韧性，驱动器弯曲的曲率半径可达到小于1微米。柔韧性对微观机器人的制造之所以重要，是因为机器人的尺寸取决于各种附件的折叠程度。弯曲程度越大，折痕越小，每台机器的占地面积就越小。

为了对研究成果进行演示，康奈尔大学研究团队还制造出了可能是世界上最小的自折叠折纸鸟。在此之前，他们发明的最小的行走机器人获得了吉尼斯世界纪录。现在，他们希望用这只仅有60微米宽的自折叠折纸鸟创造新的记录。

刘清坤说：「在如此小的规模上，它不再像传统的机械工程，而是化学、材料科学和机械工程的混合应用。」

主导整个项目的物理学教授伊泰·科恩（Itai Cohen）和保罗·麦克尤恩（Paul McEuen）称赞刘清坤的化学背景给该项目带来了额外的惊喜，提供了能够使材料折叠并保持形状背后蕴含的电化学反应原理。

「最困难的部分是制造能够响应CMOS电路的材料，」Cohen说，「这就是清坤为这种形状记忆驱动器所做的工作，你可以用电压驱动它并使它保持弯曲的形状。」

该团队目前正在努力将其形状记忆驱动器与电路集成在一起，制造出具有可折叠四肢的行走机器人以及通过波动向前移动的片状机器人。这些创新可能有一天会促使纳米Roomba 型机器人能够清除人体组织中的细菌感染，甚至研发出比当前手术设备小十倍的纳米机器人。

「我们希望能有一个具有大脑的微观机器人，这意味着需要具有由互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS）晶体管驱动的部件。」

想象一下，一百万个装配式微型机器人从晶圆上释放后折叠成特定形状，自行完成它的任务，或是组装成更复杂的结构。这是团队的最终愿景。

McEuen认为：「我们作为人类的主要特征是，我们已经学会了如何在人类规模乃至更大规模上构建复杂的机器和系统，但是，我们还没有学会如何在微小规模上建造机器。学习如何构造像细胞一样小的机器，是人类可以做到的根本性发展的一步。」

目前为止，McEuen和Cohen的持续合作已产生了许多纳米级的机器和组件，并且每一代都比上一代更快、更智能、更优雅。

但一个重要的问题是：设计、制造和操作此规模的机器人，需要改变哪些原则？

「这些薄层只有大约30个原子厚度，而纸张的厚度就有100,000个原子。因此，弄清楚如何制作具有这种结构的东西是一项巨大的工程挑战。」

美国陆军作战司令部陆军研究办公室项目经理迪恩·卡尔弗（Dean Culver）对他们的工作表示认可：「Cohen教授和他的团队正在突破我们可以在微米甚至纳米尺度上控制运动的速度和精确度的界限。除了为纳米机器人铺平道路之外，这项工作的科学进步还可以实现与智能材料设计以及分子生物学的互动。」

论文链接：

参考内容：

编辑 邓函云

Sebastian Thrun，德国发明家、企业家、教育家和计算机科学家。Thrun曾担任卡内基梅隆大学副教授、斯坦福大学计算机科学系与佐治亚理工学院的兼职教授，致力于机器人、人工智能、教育、人机交互和医疗设备的研究，发表了约380篇科学类论文和11本著作。

在商业领域中，Thrun也创立了很多知名项目，在担任谷歌的副总裁兼研究员期间，创立了谷歌的自动驾驶 汽车 团队、谷歌X和谷歌眼镜等。他还是全球知名慕课企业Udacity的董事长兼联合创始人、Kitty Hawk 公司的首席执行官。

他赢得了许多奖项：

从小镇走出的机器人天才

Thrun于1967年出生于国际知名的刃具制造中心德国索林根（属于西德）。出生在“二战”后“婴儿潮”时期的 Thrun，与其他同时代的德国青年一样，走在反对种族歧视、妇女解放运动以及反帝国主义的最前线，具有与生俱来的叛逆精神。

与其他同时代青年一样，Thrun也想让周围的人都听从自己的命令，但是他发现自己周围的人难以听从自己，他陷入了深深的挫败感。不久，Thrun发现计算机会听从他的命令，会对编写的程序做出预期的反应，他开始痴迷于为TI-57计算机编程。

TI-57计算机除了减轻了Thrun青少年时期的挫败感之外，也无意中让他踏入了计算机科学领域。由于长期钻研计算机编程，熟练的编程技巧让学生时代的 Thrun出尽了风头，他设计机器人，赢得各项科学竞赛并在电视上露面。

1988年，21岁的Thrun同时获得希尔德斯海姆大学的计算机科学、经济学和医学三个学士学位。1993年，他获得了波恩大学计算机科学硕士学位并留校继续攻读博士。

博士期间，Thrun 开发了许多自主机器人系统，并在导师Armin引导下启动了研究地图学习与高速导航的“犀牛项目”。Thrun在计算科学领域所展现出的科研能力让他在1995年顺利获得博士学位。

打造多个成功的机器人项目

早在20世纪末，计算机领域的发展如火如荼，而美国作为当时世界上 科技 最发达的国家，吸引了世界各地的优秀青年学者。

刚获得博士学位的Thrun也加入了这些优秀青年之中，加入了美国卡内基梅隆大学计算机科学系研究团队，但远渡重洋的他并没有停止对“犀牛项目”的研究工作：

化身谷歌“无人驾驶 汽车 ”之父

Thrun长期致力于对机器人的实践 探索 。在内心深处，他始终记得最好的朋友死于一场车祸，因此想研发出一辆能够自动驾驶的 汽车 ，给予驾驶者更高的安全保障。在2003年成为斯坦福大学副教授后，Thrun开始重点从事机器人 汽车 的研发工作。2004年，Thrun被任命为斯坦福人工智能实验室主任。

当时，美国为了推动军事领域的自动驾驶技术发展，授权美国国防部高级研究计划局举办了无人驾驶挑战赛（DARPA Grand Challenge）。在观看了第一届DARPA挑战赛后，Thrun对DARPA挑战赛产生了浓厚的兴趣。

Thrun便带领他斯坦福的学生，将一辆“悍马”改造为自动驾驶 汽车 ，并命名为“Stanley”，报名参加了2005年第二届DARPA挑战赛，Stanley在自动驾驶状态下行驶了6个多小时，完成挑战赛夺得冠军。

2007年，Thrun带领团队再次参加DARPA挑战赛，他们研发出的机器人 汽车 “少年”在比赛中获得第二名的成绩。此次比赛中，Thrun最大的收获是结识了谷歌创始人Lawrence Page。两人同是斯坦福大学的校友，而且有很多相似的地方，他们迅速成为了好友。

2008年，在谷歌的邀请下，Thrun申请了学术休假，并带领他的学生加入谷歌，开始初步进行谷歌无人驾驶 汽车 研究工作，内部代号“Project Chauffeur”。2011年，Thrun放弃了他在斯坦福大学的职位加入谷歌，正式成为谷歌研究员。

他与谷歌创始人Lawrence Page和Sergey Brin共同建立起了一个秘密研究部门谷歌X。谷歌X在Thrun的领导下，创建了自动驾驶（Google Glass）项目，设计了“街景车”（Waymo）及Google Loon等多个项目。 Thrun本人被称为“无人车之父”。

谷歌也给予了Thrun教授非常高的评价： “作为谷歌X和无人驾驶 汽车 项目的联合创始人，Thrun极大地推动了计算机科学和机器人技术的发展，为无人驾驶技术的发展铺平了道路。”

投身慕课行业 创建Udacity

2011年，在加入谷歌的同时，Thrun教授看到了萨勒曼汗创立的可汗学院，从中感知到了慕课行业的巨大潜力，以及这种全新的教育模式传播知识的力量。因此，他与自己的学生共同创立了Udacity，一家营利性教育公司。

Udacity成立的初期，也是慕课热潮兴起的时期。当时，市场上已经存在大量的慕课企业和平台，包括Udemy、Cousera等慕课企业，以及类似Edx这种由麻省理工学院与哈佛大学创立的非营利性教育平台。因此，Udacity想从行业中突出，并不是一件容易的事情。

起初，Udacity定位为与大学合作提供在线 科技 课程的MOOC平台。在早期的发展中，与大学合作的模式取得了一定成效，Thrun教授的斯坦福课程《CS 373：机器人 汽车 编程》作为 Udacity 提供的首批课程之一，吸引了 190 个国家的 160，000 名学生，最小的10岁，最大的70岁。

后来，随着业务逐渐推进，他们发现这一模式太具挑战性，并且成本高昂。Udacity便转型为一家面向成人的职业学习平台，致力于以 科技 教育推动职业发展。Udacity联合 科技 公司，依据实际工作技能要求设计并制作出相应的课程。

2014年6月，Udacity发布了Nanodegrees和有IT人才需求的 科技 企业共同研发的课程，旨在为企业输送人才，同时帮助找寻更优工作机会的人提升其所需要的专业技能。成功的企业定位，让Udacity获得了资本市场的青睐。同年，Udacity便获得了3500万美元的融资，这让企业的业务得以进一步发展扩张。

很快，Thrun教授为了追寻更远大的目标，实现在全球普及教育的想法。2014年9月，他退出谷歌 X，专注担任Udacity联合创始人兼首席执行官。Thrun教授本人对这段经历深有感触，用他自己的话讲：“我没想到我会成为一家公司的在线讲师或首席执行官，一个想要使教育公平化的企业创始人。”

雄心勃勃的“无人飞车”计划

对于Thrun教授本人而言，创立Udacity仅仅是自己事业的一部分。当2019年Dalporto接任Udacity首席执行官时，Thrun已经做好了全身心投入“无人飞车”计划的打算。

在认识谷歌创始人Lawrence Page时，两人讨论了很多，他们在人工智能领域有很多相似的看法。因此，Lawrence Page除了邀请Thrun加入谷歌负责谷歌X项目，还在2010年与他共同创立Kitty Hawk公司，共同研究电动 汽车 。

从DARPA挑战赛举办以来，在Kitty Hawk公司成立之初，市场上已经涌现出许多科学家创立的自动驾驶公司，如Waymo、通用 汽车 (GM)Cruise、Aurora、Argo AI、Nuro、Zoox等，后来这些自动驾驶公司基本都成为行业内耳熟能详的大型 汽车 公司。但是，Kitty Hawk公司在默默推进一个更加富有创意的想法，研究飞行电动 汽车 。因此，这家公司一直秘密运行，直到2016年引发了一波电动垂直起降车辆的热潮，才进入大众视野。

2020年12月，美国已经接受了Volocopter的同步适航审定申请。Volocoter公司坚信，他们的飞行出租车将在 2023 年获得安全批准。同时，合作发展也成为飞行出租车企业快速打开市场的另一种方式。佛蒙特州的Beta公司将在2024年开始向UPS交付其飞机的货运版本，并在2024年向Blade城市空中交通提供乘客版。

与现有已经开始进行试点的飞行 汽车 不同的是，Kitty Hawk希望实现无人驾驶。Thrun教授认为，通过无人驾驶，飞行出租车将降低成本，使每英里的运营成本将降至1美元以下，会比乘坐优步要便宜。

未来，如果Kitty Hawk成功说服监管机构，允许无人飞行出租车上市，那这一行业将迎来翻天覆地的巨大变化。

总 结

Sebastian Thrun教授在科研与商业上都取得了巨大的成功，并且在多个领域都做到非常优秀的成绩，可以归因于以下几点：

1. 充满激情： 他曾告诉他在斯坦福大学的研究生：“不要担心你要选择什么工作， 因为你的工作选择了你。让你的工作来挑选你。找到你热爱的东西。”他自己也是如此，从无人车到慕课再到飞行出租车，Thrun教授对各项工作都保持着激情，从不担心挑战与困难。

2. 持与创新： 成功需要持之以恒，并且从失败中找到进步的方法，因为要进步总是要坚持工作，而在坚持的同时，还要思想开放，随时准备倾听。如果不在坚持的基础上创新，那只会重复错误。Thrun教授面对Udacity的困境时，没有轻言放弃，重新找准定位，最终取得成功。

3. 深耕专业领域： 无论是最早的谷歌无人车，还是后来创立的Udacity，以及之后的飞行出租车项目。Thrun教授始终围绕着自己研究多年的机器人专业开展工作，深耕专业领域，让自己的价值跟 社会 价值相契合，这是每一个创业人都需要懂得的道理。

参考信息来源:

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用肉眼看不到它，它看起来不像C-3PO或R2-D2，甚至不像变形金刚，但是，尽管如此，它仍是一个机器人（大约120奈米），它的创造者来自圣安东尼奥德州大学（UTSA），现在是创造最小医疗机器人的金氏世界纪录的世界纪录保持者。

最小机器人的真面目 帮助传递药物

该系列奈米机器人是由UTSA的Soutik Betal在电气工程博士研究期间和电气与计算机工程系的Ruyan Guo教授和Amar S. Bhalla教授的指导下创建的，他们有朝一日将带来巨大的医学进展。Guo解释说：「简而言之，我们已经开发出可以通过电磁场远程控制的奈米复合粒子。它们的功能就像与生物细胞相互作用的极小机器人。」

奈米复合材料由两种不同类型的多孔氧化物材料制成，具有“核和壳”构造。核心是磁性的。它会根据磁场改变“形状”。壳是铁电的，它将压力转换为电势。奈米复合材料中的磁 – 电耦合效应充当臂和腿，其使奈米颗粒移动以与目标生物细胞相互作用。奈米机器人可以移动细胞以彼此对齐，将细胞推入不同位置并且可能用于将药物递送到细胞中。

奈米机器人可以借由渗透作用进出细胞

UTSA遥控医疗机器人的实验演示由Betal于2016年底执行，他正在Guo和Bhalla的多功能电子材料和器件研究实验室（MeMDRL）进行博士论文研究。巴西合作者的国际研究交流开发了核壳结构材料的制造，而Betal证明奈米复合材料产生了可渗透的运动。Guo说：「我们很感兴趣，并且最初对于大于细胞膜通道开口的奈米颗粒实际上可能进入内部的事实感到困惑。」

奈米复合材料研究也得益于MeMDRL与UTSA生物医学工程、物理学和天文学系的教师之间的跨学科研究合作。该研究部分由国家科学基金会（Grant no.NSF 1002380），美国国防部（Grant no.W911NF-12-1-0082）和UTSA经济研究副总裁办公室提供支持。

最小的机器人可能会获得最大的回报 未来可应用于癌症或阿兹海默症

今年早些时候在《Nature — Scientific Reports》上发表了一项研究报告，开始认可这项工作，金氏世界纪录指定遵循文章出版物。然而，最小的机器人可能会获得最大的回报。

Guo说：「机器人的能力带给民众很大的希望，我们认为癌细胞可能是特定的治疗靶点，无需进行某些化学治疗，而阿兹海默症患者，可能透过调整已停止在大脑中生存的细胞进行特殊治疗。目前，仍有许多研究要做，但是我们对这种认可以及未来的潜力感到非常高兴。」