So groß wie ein Ein-Cent-Stück Kleinster mikroelektronischer Roboter der Welt

Prof. Dr. Oliver G. Schmidt ist Pionier auf dem Gebiet der Mikrorobotik und Mikromotoren und war federführend an der Entwicklung des mikroelektronischen Roboters beteiligt.
Prof. Dr. Oliver G. Schmidt ist Pionier auf dem Gebiet der Mikrorobotik und Mikromotoren und war federführend an der Entwicklung des mikroelektronischen Roboters beteiligt.

Klein wie eine Cent-Münze, flexibel und kabellos steuer- und aufladbar: Der kleinste Mikroelektronische Roboter der Welt wurde von einem internationalen Forschungsteam entwickelt. Noch ist er nicht im menschlichen Körper einsetzbar. Doch er ist schon jetzt keine Science-Fiction mehr.

Einem internationalen Forschungsteam ist ein Durchbruch gelungen: Sie haben den kleinsten mikroelektronischen Roboters der Welt entwickelt, der durch einen Zwillings-Düsenjet angetrieben und gesteuert wird. Der mikrolektronische Roboter ist 0.8 mm lang, 0,8 mm breit und 0.14 mm hoch. Zum Vergleich: Ein Ein-Cent-Stück hat einen Durchmesser von rund 16 mm. Der Mikro-Roboter ist mechanisch extrem flexibel, beweglich und mit unterschiedlichen Funktionen ausgerüstet.

Winziger Helfer in menschlichem Körper

Der Roboter ist in wässriger Lösung manövrierfähig und lässt sich fernsteuern. Außerdem ist er mit einer Lichtquelle und einem kleinen Greifarm ausgestattet, Beides wird kabellos mit Energie versorgt. Eingestetz werden könnte der Mikro-Roboter für biomedizinische Anwendungen: Er könnte Medikamente verabreichen oder Diagnose von Krankheiten direkt im Organismus stellen. 

Kontrolliert steuern ohne Kabel

Das Forschungsfeld der Mikro-Roboter und Mikromotoren erzeugt seit mehr als zehn Jahren ein stark steigendes weltweites Interesse bei Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern verschiedener Fachrichtungen. Insbesondere die fiktive Anwendung eines medizinischen Mini-U-Boots mit eigenem steuerbaren Antrieb beflügelt immer wieder sowohl die Grundlagen- als auch die angewandte Forschung. Dabei war das Ziel, die Entwicklung eines vollständig kontrollier- und steuerbaren mikroelektronischen Roboters, lange Zeit »Science Fiction«.

Zwar gibt es mittlerweile chemisch angetriebene Mikromotoren, die in ersten medizinischen Studien in den USA auf ihre Tauglichkeit zur Heilung bestimmter Krankheiten getestet werden, allerdings handelt es sich dabei um sehr einfache Systeme, die weder über elektrische Energie noch über mikroelektronische Einheiten an Bord verfügen. Eine gezielte Kontrolle und Steuerung der Mikroroboter ist somit nicht möglich. Das ist bei dem von Oliver G. Schmidt und seinem Team entwickelten System anders – es  basiert auf einer neun Jahre alten Idee.

Neun Jahre alte Idee wird Realität

»Vor fast zehn Jahren habe ich mit meinem damaligen Team die Idee formuliert, winzige chemische Düsenantriebe mit mikroelektronischen Komponenten zu verbinden, um damit zwei Fachrichtungen zusammenzuführen, die bis dahin nur wenig gemeinsam hatten. Nun konnte sie experimentell realisiert werden«, sagt Oliver G. Schmidt.

Die Antriebseinheit des Systems besteht aus aufgerollten Mikroröhrchen, die einen Schub durch den druckhaften Ausstoß von Sauerstoffbläschen erzeugen. Diesen Vorgang konnten die Forscherinnen und Forscher in einem der beiden Mikroröhrchen thermisch kontrollieren und so den Mikro-Roboter in verschiedene Richtungen steuern.

Kleinste Objekte greifen

Das komplette mikroelektronische System fertigte das Forschungsteam aus einer Kombination aus Nano-Membranen auf Polymer-Basis an. Die winzige Konstruktion ist mechanisch hochflexibel und kann um elektronische Komponenten und steuerbare Aktuatoren erweitert werden. Dafür fertigte das Team eine dünne Schicht aus einem temperaturempfindlichen Polymer und integrierte diese als Aktuator an einem Ende des mikrorobotischen Systems. Durch die justierbare lokale Erhöhung oder Verringerung der Temperatur ist es möglich, den Aktuator zu schließen und zu öffnen, um kleinste Objekte zu greifen und wieder loszulassen.

Laden per Induktion

Weil der Mikro-Roboter Energie braucht, aber nicht einfach an der Steckdose geladen werden kann, wird ein System für die drahtlose Energieübertragung eingesetzt: Es besteht aus einem externen Transmitter und einer in dem Mikrosystem integrierten Empfangsantenne. Die Energie wird per Induktion übertragen – das Prinzip ist mit dem kabellosen Aufladen eines Handys vergleichbar. Es ist das erste Mal, dass die kabellose Übertragung elektrischer Energie in einem derart kleinen Mikro-Roboter genutzt werden kann.

Für den Antrieb ist unter anderem auch Wasserstoffperoxid notwendig. Deshalb kann das System in dieser Labor-Konfiguration noch nicht direkt im menschlichen Körper eingesetzt werden. Eine Weiterentwicklung ist dafür nötig, der sich das Forschungsteam widmen wird.

An dem Projekt waren neben der TU Chemnitz und dem IFW Dresden die Chinesische Akademie der Wissenschaften Changchun und die Technische Universität Dresden beteiligt.

In einem Video ist der kleine Roboter in Aktion zu sehen.