隔空搬運巨物！這些只會旋轉(zhuǎn)劃水的微型機器人如何做到的

微型機器人結(jié)構(gòu)簡單，但大量個體集結(jié)后，可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或功能（圖片來源：《超能陸戰(zhàn)隊》）

在自然界中，有一些小型動物雖然個頭不大、力量平平、智商也有限，可一旦抱團搞協(xié)作，它們立刻就能完成“看似不可能”的任務(wù)。比如，蜜蜂則能通過同步行動形成蜂群，從而獲得強大的防御能力，并在選取筑巢地址等決策中表現(xiàn)出遠超單一個體的群體智慧。 一群螞蟻可以合作搬動相當(dāng)于自身體重幾十倍甚至上百倍的重物，堪稱自然界的“大力士軍團”。

于是就有人腦洞大開：咱們能不能將這種“組團開掛”的智慧應(yīng)用到微型機器人身上，制造出機器人集群？

來自美國康奈爾大學(xué)與德國馬普所的研究人員給出了超酷的答案：即便是只有幾百微米大小的微型機器人，只要通過同步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生流體動力，就可以像螞蟻搬重物一樣合力驅(qū)動大齒輪，甚至是移動浮動物體。更絕的是，整個過程中，它們甚至無需直接接觸目標。

多只螞蟻能夠“自發(fā)”協(xié)作搬走重物，整個過程不需要統(tǒng)一指揮（圖片來源：BolatKemelbekov）

微米級機器人：小身軀蘊含大能量

形形色色的機器人一般都是在各類科幻影視作品中與大眾見面的。原本，大家都癡迷巨型機器人，然而到了后來，大眾卻普遍開始認為：機器人其實越小越神奇！

高大的機器人由于內(nèi)部空間大，往往擁有堅固的身體結(jié)構(gòu)，強大的液壓動力，復(fù)雜的關(guān)節(jié)以及各種高性能傳感器。但納米機器人太小了，肚子里啥都裝不下，因此只能采用另一種發(fā)展思路。

比如這次研究中的微型機器人就是一種極簡單的小型機械：僅幾百微米大小的微型圓盤，表面涂有一層薄薄的磁性材料。像這樣的機器人，單個個體也就只能在水面上轉(zhuǎn)圈圈，根本無法執(zhí)行任何任務(wù)。但要是讓成百上千的機器人協(xié)同作業(yè)呢？那結(jié)果就截然不同了，這種集群式機器人可以實現(xiàn)微觀世界中令人意想不到的操作——推動齒輪、驅(qū)動浮動物體，甚至像螞蟻搬重物那樣整體帶動更大的物體！

那么這種“超能力”是如何實現(xiàn)的呢？原來，研究人員會將這些微型圓盤置入水中，并對其施加外部旋轉(zhuǎn)磁場來驅(qū)動它們旋轉(zhuǎn)。

單個圓盤產(chǎn)生的水流微乎其微，但當(dāng)數(shù)十、數(shù)百甚至上千個圓盤聚集在一起時，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的水流相互疊加，就能形成穩(wěn)定且可控的流體力矩。這股無形的力量就像螞蟻協(xié)作時的群體推動力，能將目標物體輕輕帶動起來。

旋轉(zhuǎn)單個微盤的流動模型，數(shù)百個微盤協(xié)同行動，就能產(chǎn)生大力矩（圖片來源：Steven Ceron et al., Science Advances, 2026）

項目研究者科爾斯汀·彼得森副教授指出，在微觀尺度下，通過直接接觸來搬運物體極難實現(xiàn)，于是他們用流體動力玩了一手超巧妙的 “平替方案” 。通過擾動目標周圍的水流，微型機器人可以懸空轉(zhuǎn)動齒輪，搬運重物！

協(xié)同旋轉(zhuǎn)如何解鎖“御物”魔法

研究人員彼得森所在的實驗室長期關(guān)注機器人如何通過物理交互來展現(xiàn)集體智慧。對于這些微型圓盤來說，雖然個體的結(jié)構(gòu)簡單，但在協(xié)同旋轉(zhuǎn)時，它們產(chǎn)生的水流會相互疊加影響，形成復(fù)雜的涌現(xiàn)行為（Emergent behavior，指由多個簡單個體相互作用而產(chǎn)生的、單體無法獨立實現(xiàn)的復(fù)雜行為）。當(dāng)小機器人圓盤旋轉(zhuǎn)時，水流、水表面張力以及磁力所產(chǎn)生的相互作用，會使整個集體呈現(xiàn)出遠超單體能力的行為模式。

為了切實驗證和記錄這種“協(xié)作力量”的效果，研究團隊分組選取了十多個到上千個機器人圓盤，結(jié)合計算機模擬和實驗驗證兩種方法，來探索這些機器人對于不同結(jié)構(gòu)物體的驅(qū)動能力。結(jié)果直接讓人看呆了，微型機器人不僅能同時驅(qū)動多層同心圓環(huán)和齒輪，還能操作抓手和浮動結(jié)構(gòu)，甚至協(xié)力帶著數(shù)十個物體一起運動。

微型機器人驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)（圖片來源：Steven Ceron et al., Science Advances, 2026）

更令人驚訝的是，在一些實驗中，部分機器人還“自學(xué)成才”，玩起了“仿生爬行”——當(dāng)面對幾毫米長的巨大搬運物（相對于機器人而言很大） 時，機器人竟然自動聚集到了物體的一側(cè)，像是一條毛毛蟲在沿著物體邊緣“爬行”，將物體整體帶動著旋轉(zhuǎn)——這就好像是這群小小的機器人擁有了自己的智慧，在有意“策劃”自己的搬運方式一樣。

研究人員指出，這種“爬行行為”并非有意設(shè)置的結(jié)果，而是由水流和邊界條件的自然相互作用產(chǎn)生的。這種現(xiàn)象展示了微觀機器人群體如何通過物理交互實現(xiàn)高效的協(xié)作，而非依賴復(fù)雜傳感器或計算進行刻意地控制。

在一些情況下，聚集起來的微型機器人表現(xiàn)出一種類似“動物爬行”的姿態(tài)（圖片來源：Steven Ceron et al., Science Advances, 2026）

無接觸操控，打開應(yīng)用新圖景

微型機器人依靠流體力矩操縱物體的現(xiàn)象揭示出一種非接觸式驅(qū)動的新思路。一些研究者立刻就想到，這在微創(chuàng)醫(yī)療中會很有應(yīng)用價值！運用這種手段，機械無需直接觸碰人體組織就可以實現(xiàn)精確操作，大幅降低了組織損傷的風(fēng)險。

與此同時，相對于建造復(fù)雜單一的機械裝置，利用大量簡單微型機器人協(xié)作驅(qū)動毫米級齒輪或抓手，不僅可行性高，而且靈活性也強。研究人員強調(diào)，這其實是一種“以多補弱、聚小成大”的協(xié)作理念，如果能通過觀察和總結(jié)不同情況下機器人的協(xié)作方式，將來或可以精準預(yù)測流體力場，從而設(shè)計出不同的集體行為，從旋轉(zhuǎn)小齒輪到搬運浮動物體，實現(xiàn)精密操作。

蜂群式機器人是科幻電影里的常駐角色（圖片來源：《黑客帝國》）

所以，你也可以這么理解：微型機器人群體的協(xié)作能力，就像螞蟻群一樣，可以擴展個體的操作能力。這種集體智慧不僅屬于自然，也能被人類科技所借鑒。微型機器人的世界，既是對自然界協(xié)作奇跡的微觀致敬，也是科學(xué)與工程之間所嘗試過一次最可愛的聯(lián)手。（撰稿/宋世超）

參考資料：
[1]. Techxplore → Swarming microrobots use spinning flows to turn gears without touching
[2]. 《科學(xué)》雜志science → Fluidic torque–enabled object manipulation by microrobot collectives
[3]. Earth.com → Tiny microrobots move objects thousands of times their size