Janusgesichtige Mikro-Robos mit Lichtantrieb

Zur dunklen Seite: Halbseitig beschichtete Janusteilchen, benannt nach dem doppelgesichtigen römischen Gott, navigieren von einer Lichtquelle weg. © Celia Lozano (MPI für Intelligente Systeme/Universität Stuttgart)

Wie lassen sich winzige Partikel in einer Flüssigkeit antreiben und steuern? Offenbar erstaunlich simpel - durch zwei Gesichter und Licht, berichten deutsche Forscher. Ihre winzigen "Januspartikel" bestehen aus Glas, deren eine Seite durch Kohlenstoff geschwärzt ist. Im Licht erwärmt sich nur die dunkle Seite und verschafft dadurch den Mikroschwimmern in einer speziellen Flüssigkeit gerichteten Antrieb. In abgewandelter Form könnte das Konzept die Entwicklung von Mikro-Robotern voranbringen, sagen die Forscher.

Erneut ist die Biologie das große Vorbild der Technik: Zielstrebig zu schwimmen, ist für viele Mikroorganismen lebenswichtig. "Die Evolution hat einen enormen Aufwand betrieben, um ihnen Orientierungsfähigkeit zu geben", sagt Clemens Bechinger vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und der Universität Stuttgart. Manche Bakterien zieht es zum Licht, andere hingegen in die Dunkelheit. Diese Beeinflussung durch Licht bezeichnet man auch als Phototaxis. Daneben gibt es auch die sogenannte Chemotaxis, bei der sich Mikroorganismen an der zu- oder abnehmenden Konzentration von Nährstoffen oder anderen Substanzen orientieren. Auch Spermien sind dafür ein Beispiel: Von der Eizelle abgegebene chemische Lockstoffe weisen ihnen den Weg. Sowohl Spermien als auch viele Bakterien bewegen sich dabei durch schlagende Anhängsel fort.

Die dunkle Seite treibt sie weg vom Licht

Solche Systeme auf künstliche Mikropartikel übertragen zu können, wäre für vielfältige Anwendungen, etwa in der Medizin, sehr interessant. Doch die Natur dabei direkt zu kopieren, ist schwierig: Die Wahrnehmungssysteme und auch die Antriebe, die Lebewesen benutzen, um sich in bestimmte Richtung zu bewegen, sind sehr komplex. "Wir entwickeln deshalb Mikroschwimmer, die mit minimalem Aufwand zur Phototaxis fähig sind", sagt Bechinger.

Es handelt sich bei der Entwicklung um durchsichtige Glaskügelchen von nur einigen Tausendstel Millimeter Durchmesser. Eine Seite ist mit einer schwarzen Kohlenstoffschicht überzogen, die andere ist transparent. Inspiriert vom römischen Gott Janus mit seinen zwei Gesichtern, nennen die Forscher die Gebilde "Januspartikel". In einer Mischung aus Wasser und einer löslichen organischen Substanz zeigen diese simplen Mikro-Roboter, was sie können: Durch Licht erwärmt sich die dunkle Oberfläche vergleichsweise stark, wodurch sich Wasser und die organische Substanz an dieser Seite entmischen. Dadurch entsteht ein Konzentrationsgefälle zwischen beiden Seiten des Kügelchens, erklären die Forscher. Dies erzeugt wiederum einen Ausgleichsstrom: Flüssigkeit fließt und treibt so die Kügelchen in Richtung der transparenten Seite.

Raffiniert-simples Konzept mit Potenzial

"Wird ein solches Teilchen schräg beleuchtet, dreht es sich ähnlich wie ein Ruderer, der zum Steuern die Ruder ungleichmäßig zieht, so lange, bis die dunkle Seite voll im Licht steht", erklärt Borge ten Hagen, der das Verhalten in Düsseldorf mit Computersimulationen untersucht hat. "Wenn es richtig gedreht ist, bewegt es sich entlang der Hell-Dunkel-Linie von der Beleuchtungsquelle weg in die Finsternis". Durch einfache Modifikationen der Kugeloberfläche ist es aber auch möglich, eine Bewegung zur helleren Seite hin zu erzeugen, sagen die Forscher. Sie haben somit ein denkbar einfaches Modell für die Phototaxis geschaffen. Prinzipiell könnte das System aber auch zur Chemotaxis dienen, sagen die Forscher: Der Orientierungsmechanismus könnte nicht nur in einem Hell-Dunkel-Übergang funktionieren, sondern auch in einem chemischen Konzentrationsgefälle.

Die Einfachheit macht das System nun besonders interessant für die Entwicklung von Anwendungen: „Es lassen sich ohne großen Aufwand Millionen dieser Mikroschwimmer herstellen", betont Clemens Bechinger. Mit einer solchen Armada von zuverlässig steuerbaren Mikroteilchen lässt sich beispielsweise das Bewegungsverhalten von Lebewesen modellhaft untersuchen. Aber vor allem könnte das Konzept Potenzial für eine futuristische Vision besitzen: Winzige Medizin-Roboter, die durch die Adern patrouillieren. Beispielsweise könnten Tumore ihr Ziel sein – deren Gewebe geben bestimmte Substanzen ab, die zukünftigen chemotaktischen Mikro-Robos als Wegweisen dienen könnten.

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