机器人有组件一起工作来完成一项任务。胶体是颗粒，通常小于100微米，小到不会从溶液中沉淀出来。胶体机器人是能够具有感应、计算、通信、运动和能量管理等功能的粒子，这些功能都由粒子本身控制。他们的设计和合成是借鉴材料科学、胶体科学、自组装、机器人物理学和控制理论的跨学科研究的新兴领域。许多胶体机器人系统自主地接近生物细胞的合成版本，并可能发现将这些专门功能带到以前无法访问的位置的最终效用。本视角研究了新兴文献，并强调了实现胶体机器人的某些设计原则和策略。
胶体机器人（CR）是自主颗粒机器，在胶体条件下采用“感觉-计划-行动”范式，目标是将微观机器人系统部署到新环境中。这种环境中的自主性被定义为机器在没有外部驱动和监督的情况下做出决策（或“计算”）的能力。此类计算可以通过以下方式进行：
（1）用于信息输入的传感器
（2）用于逻辑计算和数据存储的中央处理单元
（3）用于信息传输的通信通道
（4）驱动和运动模式和/或
（5）车载能量收集和/或存储单元以模块化方式集成到胶体微颗粒中。
随着机器人设备缩小到亚毫米尺寸，它们开始承担胶体系统的行为。典型的胶体现象，如布朗运动、聚集和沉积，可以被视为需要克服的挑战性障碍，或使CR设计的特征得以利用。它们体积小，很容易分散。首先，它们的热能会导致位置和方向上的大量位移，导致以线性和旋转扩散系数为特征的随机漫步（布朗运动）。因此，CR的位置和方向可能会快速和不可预测地变化，如果布朗运动与其推进速度相称，这对从A点到B点的机器人构成了挑战。另一方面，这意味着足够小的CR将扩散，仅使用环境热能（例如，监测化学反应堆中的条件）通过介质自由扩散。
导致CR分散性的第二个关键因素是其表面积与体积比相对较高，这导致与引力反部分相比阻力强，最终导致胶体颗粒的沉降速度缓慢。在这种情况下，“缓慢”取决于上下文：类似的沉降速度可能意味着CRs在游泳池中悬浮数天，但在几秒钟内从血管中沉积出来。了解CR沉降行为不仅在水环境中很重要，而且在空气中，对于可气溶胶电子系统。
CR系统集成。CR集成的目标是从单个构建块构建复杂的自主系统，类似于将单个细胞器（例如，核作为CPU，线粒体作为能量中心，鞭毛作为执行器等）组合成高阶细胞。
与2×2平方厘米的CPU等传统设备相比，胶体系统的一个独特特征是它们的最终设备尺寸（大约100×100微米2的平面面积）很小。此功能放松了CR晶圆制造视为工业上可行的工艺的缺陷密度公差。一旦为胶体系统选择了整体自上而下的集成方法，故障率略高的实验室级方法可能仍然适合大规模设备生产。
图4a显示了一个控制架构——基于优化的混合方法的结果——能够将CR移动到指定位置。机器人在连续空间中自主实现其目标，仅使用离散驱动、离散传感和少数逻辑运算符。
如果可以控制单个CR，则此类代理的集合应该能够实现更广泛的目标。简单代理系统的控制已经在许多领域进行了探索，例如军蚁的“短路桥接”行为，其中随机、分布式算法使粒子能够自我组装成针对长度和成本优化的桥梁。在压缩或扩展以及异构代理的分离或集成的算法中，也存在类似的全局行为。
胶体机器人领域建立在智能粉尘和微机器人的现有概念之上，而智能粉尘颗粒一直是立方毫米范围内的非移动微系统，而微机器人通常是需要外部控制的“监督代理”。CR是这一发展的下一个合乎逻辑的步骤，并在规格方面提高了标准。在纳米升或更小的尺寸下，它们至少比智能粉尘或微机器人小1000倍，并且设计用于不沉降在流体环境中，从而实现各种新应用。
将所有这些功能集成到纳升（106 μm3）的体积中是一项具有挑战性的任务。虽然所有组件的整体集成是可取的，但任何单一的材料类都不足以实现所有功能。前进的道路是明确的：我们同时需要一套不同的材料结构（组件，如传感器、计时器和执行器），将高度专业化但节能的功能和模块化系统设计结合在一起，允许CR的一部分与另一部分一起工作。因此，投入和产出的标准化对于促进研究单个模块的材料科学研究人员之间的合作非常重要。
随着微型和纳米级机器作为挑战性问题的解决方案而开发，强调胶体机器人的风险和后果很重要。使用该技术的科学家、工程师和企业主以及政策制定者有责任维护技术的道德和负责任使用技术的诚信。由于我们最初在非实验室环境中部署CR，应首先探索封闭空间（通过适当的过滤，其中相对于纳米颗粒更大的CR尺寸将是高级的）。与用于电子电路的传统散装导体和半导体相比，使用功能性2D（或其他纳米结构低维）材料的另一个优势是降低了潜在的毒性问题（例如，2D材料的单个原子层可以提供与材料少得多的散装对应物类似的功能）。这凸显了使用CR为这些即将到来的应用探索非传统材料的必要性。
从这个角度来看，我们强调了几项开创性努力，这些努力将CR用作几个无法访问的地点的分布式信息探测器。医疗、环境监测和监视方面的颠覆性创新以及此类技术的其他创造性用途还有许多机会。
原文：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01589-y
