Kaum sichtbar für das bloße Auge, können neue, nur wenige Cent teure Roboter schwimmen, Temperaturen messen und winzige, lichtbetriebene Programme ausführen. Forscher sagen, diese erste Generation könnte eines Tages helfen, einzelne Zellen zu überwachen und mikroskopische Geräte zu bauen.
Kaum größer als ein Staubkorn und billiger als ein Cent: Eine neue Generation mikroskopischer Roboter kann schwimmen, ihre Umgebung wahrnehmen und winzige Computerprogramme ausführen – und das alles ganz allein.
Forscher der Universitäten von Pennsylvania und Michigan haben die nach ihren Angaben weltweit kleinsten voll programmierbaren, autonomen Roboter vorgestellt. Jede Maschine misst etwa 0.2 x 0.3 x 0.05 Millimeter, operiert im Bereich vieler Mikroorganismen und ist gerade noch mit bloßem Auge sichtbar.
Trotz ihrer geringen Größe können die Roboter komplexe Bewegungsmuster ausführen, in koordinierten Gruppen fahren, Temperaturänderungen erkennen und ihre Wege entsprechend anpassen. Sie werden durch Licht angetrieben und gesteuert, können monatelang unter Wasser funktionieren und kosten laut dem Team in der Herstellung etwa einen Cent pro Stück.
Marc Miskin, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Systemtechnik an der Universität von Pennsylvania und Hauptautor zweier begleitender Studien, sagte, die Arbeit führe die Robotik in ein neues Regime.
„Wir haben autonome Roboter um das 10,000-fache verkleinert“, sagte er in einer Pressemitteilung. „Das eröffnet völlig neue Dimensionen für programmierbare Roboter.“
Die Roboter werden in zwei Artikeln beschrieben, einer davon in Wissenschaft Robotics das sich auf deren integrierte Rechen- und Sensoriktechnologie konzentriert, und ein weiteres im Bereich der Proceedings of the National Academy of Sciences darin wird detailliert beschrieben, wie sie sich bewegen.
Mikroroboter sind seit Langem ein Ziel von Wissenschaftlern, die sich winzige Maschinen vorstellen, die sich durch den Körper bewegen, einzelne Zellen überwachen oder mikroskopische Bauteile montieren könnten. Doch die Verkleinerung eines Roboters ist nicht so einfach wie die eines Computerchips. Im Mikrometerbereich dominieren Kräfte wie Luftwiderstand und Viskosität, was die Bewegung extrem erschwert. Jahrzehntelang hat diese Herausforderung den Fortschritt gebremst.
Miskins Gruppe ging das Bewegungsproblem an, indem sie neu überlegte, was es bedeutet, dass ein Roboter im Mikromaßstab „schwimmt“. Anstatt sich auf bewegliche Teile wie Propeller oder Beine zu verlassen, bewegen die Roboter das Wasser um sich herum.
In Wasser dieser Größenordnung ist der Widerstand so enorm, als würde man versuchen, durch Teer zu schwimmen. Das Antriebssystem des Teams umgeht dieses Problem mithilfe elektrischer Felder. Die Roboter erzeugen ein Feld, das geladene Teilchen, sogenannte Ionen, in der umgebenden Flüssigkeit anregt. Diese Ionen stoßen dann auf benachbarte Wassermoleküle und erzeugen so genügend Kraft, um den Roboter vorwärts zu bewegen. Das Ergebnis ist ein Antriebssystem ohne bewegliche mechanische Teile, wodurch die Roboter robust sind und monatelang schwimmen können.
Zur gleichen Zeit hatte das Team der Universität Michigan unter der Leitung der Professoren für Elektrotechnik und Computertechnik, David Blaauw und Dennis Sylvester, die Grenzen winziger Computer erweitert und rekordverdächtige Submillimeter-Systeme entwickelt, die mit minimalem Stromverbrauch erfassen und berechnen können.
„Wir haben festgestellt, dass das Antriebssystem von Penn Engineering und unsere winzigen Computer wie füreinander geschaffen sind“, sagte Blaauw, einer der Hauptautoren der Studie von Science Robotics, in der Pressemitteilung.
Um jedem Roboter ein funktionsfähiges „Gehirn“ zu verpassen, musste Blaauws Team unter extremen Bedingungen arbeiten. Der Bordcomputer benötigt nur etwa 75 Nanowatt – rund 100,000 Mal weniger als eine Smartwatch. Um selbst diese geringe Energiemenge zu gewinnen, ist der größte Teil der Roboteroberfläche mit Solarzellen bedeckt.
Die begrenzte Leistung und der begrenzte Speicherplatz zwangen die Forscher, die Funktionsweise der Robotersoftware neu zu gestalten.
„Wir mussten die Anweisungen des Computerprogramms komplett überdenken und das, was üblicherweise viele Anweisungen für die Antriebssteuerung erfordern würde, in eine einzige spezielle Anweisung zusammenfassen, um die Programmlänge zu reduzieren und es in den winzigen Speicher des Roboters zu integrieren“, fügte Blaauw hinzu.
Die Roboter werden durch Lichtimpulse programmiert und mit Energie versorgt. Jeder Roboter besitzt eine eindeutige Kennung, sodass ein Forscher verschiedene Lichtmuster auf die Roboter projizieren und ihnen im selben Wassertropfen unterschiedliche Anweisungen geben kann. Prinzipiell bedeutet dies, dass ein Roboterschwarm eine Aufgabe aufteilen könnte, wobei jede Einheit eine spezifische Rolle übernimmt.
In der Studie von Science Robotics berichtet das Team, dass die erste Generation von Robotern mit Temperatursensoren ausgestattet ist, die Veränderungen von nur einem Drittel Grad Celsius erfassen können. In Labortests könnten sich die Roboter in Richtung wärmerer Bereiche bewegen oder die Temperatur als Indikator für Zellaktivität melden.
Um Informationen zurückzusenden, verändern die Roboter ihre Bewegungsart. Die Forscher vergleichen dies mit dem Schwänzeltanz der Honigbienen zur Kommunikation. Durch bestimmte Bewegungsmuster können die Roboter einfache Botschaften über ihre Wahrnehmungen kodieren.
Mit Blick auf die Zukunft sieht das Team viele potenzielle Einsatzmöglichkeiten. In der Medizin könnten Flotten solcher Roboter eines Tages den Zustand einzelner Zellen überwachen, die Reaktion von Gewebe auf Medikamente verfolgen oder Therapien mit höchster Präzision verabreichen. In der Fertigung könnten sie beim Bau oder der Inspektion von Mikrogeräten helfen, die für menschliche Werkzeuge zu klein sind.
Zukünftige Versionen könnten komplexere Programme speichern, sich schneller bewegen, zusätzliche Sensoren integrieren oder in anspruchsvolleren Umgebungen jenseits einfacher Laborflüssigkeiten eingesetzt werden. Die aktuellen Roboter zeigen bereits, dass es möglich ist, Sensorik, Rechenleistung und Bewegung in einem Umfang zu kombinieren, der vor wenigen Jahren noch unerreichbar war.
„Das ist erst der Anfang“, fügte Miskin hinzu. „Wir haben gezeigt, dass man ein Gehirn, einen Sensor und einen Motor in etwas einbauen kann, das fast zu klein ist, um es zu sehen, und dass es monatelang funktioniert. Sobald diese Grundlage geschaffen ist, lassen sich alle möglichen Arten von Intelligenz und Funktionalität hinzufügen. Das eröffnet völlig neue Perspektiven für die Robotik im Mikromaßstab.“
Das Projekt vereinte Experten aus den Bereichen Robotik, Mikroelektronik und Materialwissenschaften der Universitäten von Pennsylvania und Michigan und wurde von der National Science Foundation sowie weiteren Institutionen und Stiftungen gefördert. Die Doktoranden Maya Lassiter (Universität Pennsylvania) und Jungho Lee (Universität Michigan) sind Erstautoren der Studie.
Bislang schwimmen die Roboter nur in sorgfältig vorbereiteten Laborumgebungen. Doch mit zunehmender Reife der Technologie, so die Forscher, könnte sich die Art und Weise, wie Wissenschaftler und Ingenieure mit der mikroskopischen Welt interagieren, grundlegend verändern – nicht nur durch die Beobachtung unter dem Mikroskop, sondern indem winzige Maschinen eingesetzt werden, die selbstständig wahrnehmen, denken und handeln.
Quelle: University of Michigan