微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但大量個(gè)體集結(jié)后，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)或功能（圖片來源：《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》）

在自然界中，有一些小型動(dòng)物雖然個(gè)頭不大、力量平平、智商也有限，可一旦抱團(tuán)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(dòng)形成蜂群，從而獲得強(qiáng)大的防御能力，并在選取筑巢地址等決策中表現(xiàn)出遠(yuǎn)超單一個(gè)體的群體智慧。 一群螞蟻可以合作搬動(dòng)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(tuán)”。

于是就有人腦洞大開：咱們能不能將這種“組團(tuán)開掛”的智慧應(yīng)用到微型機(jī)器人身上，制造出機(jī)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(jī)器人，只要通過同步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生流體動(dòng)力，就可以像螞蟻搬重物一樣合力驅(qū)動(dòng)大齒輪，甚至是移動(dòng)浮動(dòng)物體。更絕的是，整個(gè)過程中，它們甚至無需直接接觸目標(biāo)。

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

微米級(jí)機(jī)器人：小身軀蘊(yùn)含大能量

形形色色的機(jī)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(jī)器人，然而到了后來，大眾卻普遍開始認(rèn)為：機(jī)器人其實(shí)越小越神奇！

高大的機(jī)器人由于內(nèi)部空間大，往往擁有堅(jiān)固的身體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大的液壓動(dòng)力，復(fù)雜的關(guān)節(jié)以及各種高性能傳感器。但納米機(jī)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(jī)器人就是一種極簡(jiǎn)單的小型機(jī)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(jī)器人，單個(gè)個(gè)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(jī)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(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)微觀世界中令人意想不到的操作——推動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)物體，甚至像螞蟻搬重物那樣整體帶動(dòng)更大的物體！

那么這種“超能力”是如何實(shí)現(xiàn)的呢？原來，研究人員會(huì)將這些微型圓盤置入水中，并對(duì)其施加外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)它們旋轉(zhuǎn)。

單個(gè)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(gè)圓盤聚集在一起時(shí)，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(shí)的群體推動(dòng)力，能將目標(biāo)物體輕輕帶動(dòng)起來。

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

項(xiàng)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(yùn)物體極難實(shí)現(xiàn)，于是他們用流體動(dòng)力玩了一手超巧妙的 “平替方案” 。通過擾動(dòng)目標(biāo)周圍的水流，微型機(jī)器人可以懸空轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，搬運(yùn)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(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期關(guān)注機(jī)器人如何通過物理交互來展現(xiàn)集體智慧。對(duì)于這些微型圓盤來說，雖然個(gè)體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在協(xié)同旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們產(chǎn)生的水流會(huì)相互疊加影響，形成復(fù)雜的涌現(xiàn)行為（Emergent behavior，指由多個(gè)簡(jiǎn)單個(gè)體相互作用而產(chǎn)生的、單體無法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜行為）。當(dāng)小機(jī)器人圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，水流、水表面張力以及磁力所產(chǎn)生的相互作用，會(huì)使整個(gè)集體呈現(xiàn)出遠(yuǎn)超單體能力的行為模式。

為了切實(shí)驗(yàn)證和記錄這種“協(xié)作力量”的效果，研究團(tuán)隊(duì)分組選取了十多個(gè)到上千個(gè)機(jī)器人圓盤，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種方法，來探索這些機(jī)器人對(duì)于不同結(jié)構(gòu)物體的驅(qū)動(dòng)能力。結(jié)果直接讓人看呆了，微型機(jī)器人不僅能同時(shí)驅(qū)動(dòng)多層同心圓環(huán)和齒輪，還能操作抓手和浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，甚至協(xié)力帶著數(shù)十個(gè)物體一起運(yùn)動(dòng)。

微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，部分機(jī)器人還“自學(xué)成才”，玩起了“仿生爬行”——當(dāng)面對(duì)幾毫米長(zhǎng)的巨大搬運(yùn)物（相對(duì)于機(jī)器人而言很大） 時(shí)，機(jī)器人竟然自動(dòng)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(dòng)著旋轉(zhuǎn)——這就好像是這群小小的機(jī)器人擁有了自己的智慧，在有意“策劃”自己的搬運(yùn)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(jī)器人群體如何通過物理交互實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)作，而非依賴復(fù)雜傳感器或計(jì)算進(jìn)行刻意地控制。

在一些情況下，聚集起來的微型機(jī)器人表現(xiàn)出一種類似“動(dòng)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(jī)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(dòng)的新思路。一些研究者立刻就想到，這在微創(chuàng)醫(yī)療中會(huì)很有應(yīng)用價(jià)值！運(yùn)用這種手段，機(jī)械無需直接觸碰人體組織就可以實(shí)現(xiàn)精確操作，大幅降低了組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

與此同時(shí)，相對(duì)于建造復(fù)雜單一的機(jī)械裝置，利用大量簡(jiǎn)單微型機(jī)器人協(xié)作驅(qū)動(dòng)毫米級(jí)齒輪或抓手，不僅可行性高，而且靈活性也強(qiáng)。研究人員強(qiáng)調(diào)，這其實(shí)是一種“以多補(bǔ)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(jī)器人的協(xié)作方式，將來或可以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)流體力場(chǎng)，從而設(shè)計(jì)出不同的集體行為，從旋轉(zhuǎn)小齒輪到搬運(yùn)浮動(dòng)物體，實(shí)現(xiàn)精密操作。

蜂群式機(jī)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(jī)器人群體的協(xié)作能力，就像螞蟻群一樣，可以擴(kuò)展個(gè)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(jī)器人的世界，既是對(duì)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