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Mikroskopische Laufroboter entwickelt

Am Ende eines mehrstufigen Verfahrens gehen die Roboter massenweise aus Silizium-Plättchen hervor. (Bild: Marc Mishkin)

Sie krabbeln ferngesteuert, gewinnen Energie aus Licht und lassen sich millionenfach herstellen: Forscher haben Laufroboter entwickelt, die trotz ihrer mikroskopischen Größe über Solarzellen, Elektronik und ein raffiniertes Fortbewegungssystem verfügen. Die Hightech-Winzlinge werden im Rahmen einer mehrstufige Nanofabrikationstechnik massenhaft aus einem speziellen Halbleiterplättchen „geboren“. Möglicherweise könnten zukünftige Versionen dieser Mikro-Roboter Missionen im menschlichen Körper erfüllen, sagen die Forscher.

„Ich erinnere mich, wie ich als Kind durch ein Mikroskop all diese faszinierenden Strukturen und Vorgänge beobachtet habe. Wer hätte gedacht, dass wir nun selber Einheiten bauen können, die in dieser Größe aktiv werden und sich steuern lassen“, sagt Marc Miskin von der Cornell University in Ithaca, der das innovative Mikro-Roboter-Konzept mit seinen Kollegen entwickelt hat. Die skurrilen Winzlinge präsentiert er nun auf einem Meeting der American Physical Society in Boston.

Tausende erheben sich auf einmal

Wie Miskin berichtet, ist ein besonderer Aspekt des Verfahrens, dass die Roboter nicht einzeln zusammengebastelt werden müssen, sondern am Ende von mehrstufigen Behandlungen zu tausenden aus Silizium-Plättchen buchstäblich hervorgehen. „Wir haben Technologien aus der Halbleiterindustrie angepasst, um unsere Mikro-Roboter herzustellen“, erklärt Miskin.

Die Körper der Krabbler sind jeweils 70 Mikrometer lang – das entspricht ungefähr der Breite eines sehr dünnen menschlichen Haares. Sie bestehen aus einem rechteckigen Glas-Skelett, das mit einer dünnen Siliziumschicht überzogen ist, in die Elektroniksteuerelemente eingeätzt sind. Zur Energieversorgung besitzt jeder Mikro-Roboter außerdem entweder zwei oder vier winzige Solarzellen.

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Wie sich mikroskopische Beinchen krümmen

Die vier Beine der Roboter bestehen aus einer Platin- und einer Titanschicht. Bei der Herstellung wird das Platin in Lagen von atomarer Dicke aufgetragen: „Es ist wie mit Atomen zu malen“, sagt Miskin. Um die Beinchen der Roboter zu formen, wird die Platin-Titan-Schicht in vier 100 Atome dicke längliche Einheiten geschnitten. „Die Beine sind super stark: Jeder Roboter trägt einen Körper, der 1000 Mal dicker ist und etwa 8000 Mal mehr wiegt als jedes Bein“, sagt Miskin.

Um sie in Bewegung zu versetzen, ist die Energie aus den Solarzellen nötig: Dazu strahlen die Forscher sie mit einem Laser an. Die entstehende Spannung führt dazu, dass sich das Platin im Bein ausdehnt. Da jedoch das Titan steif bleibt, krümmt sich der Fortsatz leicht. Eine Fortbewegung entsteht dann dadurch, dass die Solarzellen eine wechselweise Kontraktion beziehungsweise Entspannung der Vorder- oder Hinterbeine verursachen, erklären die Entwickler. Ihnen zufolge sind die Krabbler auch ausgesprochen strapazierfähig. „Selbst nachdem man sie mit einer Spritze aufgezogen und wieder abgegeben hat, sind sie noch intakt und funktionsfähig“, sagt Miskin.

„Intelligente“ Versionen sind in Arbeit

Momentan arbeiten er und seine Kollegen nun daran, den Robotern gleichsam ein „Gehirn“ zu verpassen: Eingebaute Sensoren, Uhren und Controller sollen sie immer raffinierter machen. Außerdem planen die Wissenschaftler, die Energieversorgung anwendungstauglicher zu gestalten. Denn die aktuelle Stromversorgung durch Licht funktioniert beispielsweise nicht in dunklen Geweben. Als alternative Energiequellen mit mehr Durchdringungsvermögen sind den Forschern zufolge etwa Ultraschallstrahlen oder Magnetfelder denkbar.

Für diese zukünftigen Modelle ihres Systems sehen die Forscher spannende Anwendungsmöglichkeiten: Fantastische Reisen im menschlichen Körper könnten ihnen zufolge einmal möglich werden – etwa für medizinische Behandlungen oder Forschungsmissionen. Man kann also gespannt sein, was sich aus dieser skurrilen Mikro-Roboter-Technologie entwickeln wird.

Quelle: The 2019 APS March Meeting presentation „Fabricating Autonomous Machines for the Cellular Scale,“ by Marc Miskin, Alejandro Cortese, Itai Cohen and Paul L McEuen, will take place Thursday, March 7, at 3:42 p.m. in room 259B of the Boston Convention and Exhibition Center. ABSTRACT: http://meetings.aps.org/Meeting/MAR19/Session/V64.5

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