Die kleinste Fabrik der Welt

Forscher bringen Mikrorobotern bei, komplexe Elektronikkomponenten zu fertigen.

Wer einen Blick in das Labor von Annjoe Wong-Foy bei der amerikanischen Forschungsgesellschaft SRI International wirft, könnte meinen, seine Ausrüstung sei von Ameisen befallen worden. Dunkle Gebilde in einer Größe von rund einem Zentimeter bewegen sich über aufgebockte Laufwege, schlängeln sich zwischen Hindernisse hindurch und tragen kleine Stöckchen hin und her.

Ein näherer Blick auf dieses Getier lässt den Beobachter aber erkennen, dass es sich um menschengemachte Objekte handelt. Wong-Foy, leitender Forscher bei SRI, hat eine Armee magnetisch gelenkter Mikroroboter entworfen, um zu testen, ob die kleinen Automaten eine neue Methode sein könnten, elektronische Bauteile und andere kompakte Strukturen zusammenzusetzen.

Wong-Foys kleine Arbeiter können bereits Türme mit einer Länge von 30 Zentimetern bauen, die aus Kohlenstoffstäben bestehen – und Plattformen, die ein Kilogramm Gewicht tragen können. Die Roboter werkeln mit Glas, Metall, Holz oder direkt mit elektronischen Bauteilen. In einer Demonstration erstellten sie ein Kohlenstoffgerippe aus Drähten und bunten LEDs, das dann als Weihnachtsbaum für das Labor diente.

"Wir können das zu geringen Kosten auf deutlich mehr Roboter hochskalieren", sagt Wong-Foy, der hofft, mit der Technik die Elektronikproduktion zu revolutionieren. Denn: Viele elektronische Komponenten hätten die richtige Größe, um von den Mikrorobotern gehandhabt zu werden. Ganze Teams der kleinen Automaten könnten Bauteile sogar auf eine Leiterplatte hieven.

Bei SRI entsteht gerade ein ganzes Set mit den Mikrorobotern, das dann an andere Forschungslabore und Firmen verkauft werden kann, um weiter zu experimentieren. "Wir haben die grundlegende Technik demonstriert und schauen nun, wie wir das aus dem Labor in eine Forschungsplattform für alle überführen können", sagt Rich Mahoney, Direktor für Robotik bei SRI. "Man sollte das von der Stange kaufen können."

Die Mikroarbeiter sind dabei sehr einfach strukturiert: Es handelt sich um magnetische Miniplattformen mit einfachen Drahtarmen darauf. Sie bewegen sich nur, wenn sie auf einer Oberfläche platziert werden, in dem eine passende Steuerelektronik sitzt, die ein spezifisches Muster hat. Sendet man Strom durch die darin enthaltenen Spulen, übt das eine Kraft auf die Magnete aus und schickt die Roboter umher. Wong-Foy hat die dafür notwendige Software entwickelt und hat bereits gezeigt, wie sich die Bewegungen von über 1000 der Mikroroboter komplex choreographieren lassen. Die kleinen Drahtärmchen der Automaten können sich allerdings nicht unabhängig voneinander bewegen. Durch die Schaffung von Teams aus Robotern mit verschiedenen Armtypen lassen sich aber trotzdem recht schwierige Arbeiten erledigen.

Die Erstellung einer Turmstruktur benötigt beispielsweise drei verschiedene Arten von Arbeitern. Die erste drückt immer wieder einen Hebel herunter, damit ein zahnstochergroßer Kohlenstoffstab aus einem Magazin ausgegeben wird. Roboter zwei taucht seine Ärmchen in einen Behälter mit Wasser, um Tropfen an deren Ende zu erzeugen. Deren Oberflächenspannung wird wiederum verwendet, um jeweils einen Kohlenstoffstab aufzunehmen. Ein dritter Roboter bedient eine Klebestation und bringt immer wieder neuen Klebstoff an die Baustruktur an – auch das jeweils mit seinen Ärmchen. Der Roboter, der den Stab aufgenommen hat, drückt ihn dann zu guter Letzt an seinen Platz und wartet noch kurz, bis ein ultraviolettes Licht aktiv war, mit dem der Klebstoff dann aushärtet. Dann geht es mit dem nächsten Stab weiter.

Die Software, die die Mikroroboter kontrolliert, kann auch die Plattform bewegen, auf denen sie arbeiten. So bewegt sie sich jedes Mal, wenn eine neue Schicht des Turmes fertig ist, damit die Roboterarbeitsfläche stets unverändert bleibt, während die Struktur, an der sie arbeiten, in die Höhe wächst.

"Genauso wie 3D-Drucker wären Mikroroboter ein effizienter Weg, komplizierte Objekte in kleinen Mengen herzustellen", sagt Mahoney. Das liegt auch daran, dass die Mikroroboter leicht umprogrammiert werden können, um neue Aufgaben zu erlernen – und sie so immer besser werden. Mahoney erinnert das an Chiptechnik, die Jahr für Jahr schneller wird.

Eine mögliche Anwendungsform ist auch die direkte Produktion elektronischer Komponenten. Bastler und kleine Firmen, die an neuer Hardware arbeiten, stellen heute nur wenige Prototypplatinen her, weil es so viel Zeit kostet, sie von Hand zusammenzusetzen. Eine Kleinserie in einer Fabrik ist wiederum zu teuer.

Wong-Foy will außerdem zeigen, dass es möglich ist, mit seinem Verfahren die Herstellung elektronischer und optischer Komponenten zu kombinieren, beispielsweise Schnittstellen zu Glasfaserkabeln. Weil Siliziumkomponenten nicht gleichzeitig mit Bauteilen aus Glas montiert werden könnten, müsse oftmals ein manueller Arbeitsschritt zwischengeschaltet werden. "Im Bereich der optischen Elektronik fehlt es bislang noch an einer guten Methode, Indium-Phospid-Laser mit Siliziumkomponenten zu kombinieren", sagt Wong-Foy. "Und der Maßstab entspricht dem, was wir hier mit den Kohlenstoffstäben machen." (bsc)