Von Bakterien inspirierte Mikroroboter
Wissenschaftler der ETH Zürich und der EPFL haben winzige elastische Roboter entwickelt, die je nach Umgebung ihre Form verändern können. Als Vorbild dienten Bakterien. Ähnlich diesen passen die biokompatiblen Roboter ihre Form und Bewegungen ihrer Umgebung an, um an schwer zugängliche Stellen im menschlichen Körper zu gelangen. Künftig sollen sie die gezielte Verabreichung von Medikamenten ermöglichen.
In Zukunft könnten wir dank Forschung der ETH Zürich und der EPFL winzige Roboter in unseren Körper aufnehmen, die Medikamente direkt bis zum erkrankten Gewebe transportieren.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern– unter Leitung von Bradley Nelson, Professor an der ETH Zürich, und Selman Sakar, Professor an der EPFL, – hat sich von Bakterien inspirieren lassen, um intelligente, biokompatible Mikroroboter mit hoher Flexibilität zu entwickeln. Die Roboter können durch Flüssigkeiten schwimmen und ihre Form bei Bedarf so ändern, dass sie sich durch enge Blutgefässe und komplizierte Systeme bewegen können, und zwar ohne Einbussen bei Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit.
Die Mikroroboter bestehen aus Hydrogel-Nanokompositen und sie wurden basierend auf der japanischen Falttechnik Origami konstruiert. Zudem enthalten sie magnetische Nanopartikel, mit denen man sie mittels eines elektromagnetischen Feldes steuern kann, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift «Science Advances» berichten. Alternativ nutzen die Mikroroboter auch den Fluidstrom, um selbständig durch Hohlräume zu navigieren.
Verkörperte Intelligenz
«Durch ihre spezielle Zusammensetzung und Struktur können sich unsere Roboter an die Eigenschaften der Flüssigkeit anpassen, durch die sie sich bewegen. Ändern sich die Dichte, Viskosität oder die osmotische Konzentration, passen sie ihre Form an, um ihre Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit beizubehalten, ohne die Kontrolle über die Bewegungsrichtung zu verlieren», erklärt Sakar. Diese Verformungen werden allein durch die Art der Faltentechnik und die Wahl des Materials gewissermassen im Voraus «programmiert», ohne dass elektronische Systeme in die Roboter eingebettet werden müssen.
«In der Natur gibt es eine Vielzahl an Mikroorganismen, die ihre Form anpassen, wenn sich ihre Umweltbedingungen ändern. Von diesem Grundprinzip haben wir uns bei der Entwicklung unserer Mikroroboter inspirieren lassen», erläutert Nelson. «Die grösste Herausforderung für uns war es, die physikalischen Gesetzmässigkeiten für diese Verwandlungsprozesse zu beschreiben, und dann die entsprechenden Fertigungstechnologien zur Umsetzung zu entwickeln».
Bislang haben die Miniatur-Roboter die Erwartungen erfüllt und können zudem recht einfach und kostengünstig hergestellt werden. Aktuell arbeitet das Forschungsteam daran, die Leistung beim Schwimmen durch komplexe Flüssigkeiten, wie sie im menschlichen Körper vorkommen, zu verbessern.
Literaturhinweis: H.-W. Huang, B.J. Nelson, F.E. Uslu, M.S. Sakar, P. Katsamba, E. Lauga, Adaptive locomotion of artificial microswimmers, Science Advances
Veränderte Fassung einer Medienmitteilung der EPFL