Mikroroboter-Schwärme entfernen Mikroplastik und Bakterien aus Wasser
Mikroplastik in Meeren ist schädlich für Mensch und Umwelt. Mikroroboter sollen kleinste Kunststoffteile sowie Bakterien künftig einfach herausfiltern können.
Mikroroboter fangen Mikroplastik und Bakterien ein.
(Bild: Martin Pumera u. a.)
Forscher des Future Energy and Innovation Laboratory, des Central European Institute of Technology und der Brno University of Technology haben Mikroroboter entwickelt, die im Schwarm in der Lage sind, Mikroplastik aus Meeren und anderen Gewässern zu entfernen. Die Mikroroboter werden über Magnetfelder angesteuert und können nach der Aufnahme von Mikroplastik gereinigt und wiederverwendet werden.
Mikroplastik, also Kunststoffteile, die weniger als 5 mm groß sind, ist ein großes Problem. Die Plastikteile können etwa über die Aufnahme von Meerestieren auch in die menschliche Nahrungskette gelangen. Welche gesundheitlichen Auswirkungen das haben kann, ist noch nicht vollständig geklärt. Fest steht aber, dass Mikroplastik Bakterien anzieht, darunter auch Krankheitserreger, die für Mensch und Tier schädlich sind und direkte Auswirkungen auf den Organismus haben können.
Die Wissenschaftler setzen zur Entfernung von Mikroplastik und Krankheitserregern aus Wasser auf mikro-skalige Robotersysteme in einer Größenordnung von 2,8 μm im Durchmesser, wie sie in ihrem wissenschaftlichen Paper "Magnetic Microrobot Swarms with Polymeric Hands Catching Bacteria and Microplastics in Water" schreiben, das in ACS Nano veröffentlicht ist. Die kleinen Roboter bestehen im Wesentlichen aus einem positiv geladenen Polymer, das mit magnetischen Mikropartikeln durchsetzt ist. Die Roboter können dadurch mittels eines Magnetfeldes in beliebige Richtungen gesteuert werden. Zusätzlich lassen sie sich mehrere dieser Roboter über ein rotierendes Magnetfeld zu Clustern zusammenschließen, um gemeinsam im Schwarm agieren zu können. Sie ziehen dabei über die positiv geladenen Polymerfäden Kunststoffe und Mikroben an.
Wasser von Mikroplastik und Bakterien befreien
Im Labor stellten die Forschenden ein durch Mikroplastik und Krankheitserreger belastetes Gewässer nach. Dazu versetzten sie Wasser mit fluoreszierenden Polystrolkügelchen mit einem Durchmesser von einem Mikrometer. Zusätzlich gaben sie aktiv schwimmende Pseudomonas-aeruginosa-Bakterien in das Wasser. Diese Bakterien können etwa Lungenentzündungen und andere Infektionen verursachen.
In den Wassertank setzten die Wissenschaftler dann Mikroroboter ein. Die steuerten sie über ein 30 Minuten lang rotierendes Magnetfeld an, das sie alle 10 Sekunden ein- und ausschalteten. Die Roboter testeten sie in verschiedenen Konzentrationen. In der höchsten Konzentration von 7,5 mg pro ml konnten rund 80 Prozent der Bakterien von den Mikrorobotern eingefangen werden. Auch die Polystrolkügelchen wurden von ihnen angezogen, sodass deren Konzentration im Wasser sank.
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Mit einem Dauermagneten sammelten die Forscher die Mikroroboter wieder ein und dekontaminierten sie mit Ultraschall, sodass die anhaftenden Bakterien entfernt wurden. Die Mikroben wurden dann mit ultravioletter Strahlung abgetötet.
Die so desinfizierten Roboter setzten die Wissenschaftler erneut ein, um Wasser zu reinigen. Allerdings konnten die Roboter dann nicht mehr die gleiche Menge an Bakterien und Mikroplastik aufnehmen wie zuvor.
Die Forscher sehen ihren Ansatz, mit Mikrorobotern Wasser von Mikroplastik und Bakterien zu befreien, als vielversprechend an.
(olb)