Mikro-Roboter in Spermienform

Schwärme winziger Roboter könnten im Körperinneren des Menschen Medikamente an den richtigen Ort transportieren oder Gefäße reparieren. Doch wie navigiert man sie zum Ziel?

Mikro-Roboter, typischerweise kleiner als ein Millimeter, gelten schon seit den 1970ern als vielversprechendes Forschungsgebiet. Zunächst setzten vor allem Nachrichtendienste darauf, allein wegen ihre Winzigkeit unauffällige autonome Systeme zu konstruieren. Inzwischen sind die Ideen zu potenziellen Anwendungsfeldern aber breit gefächert. Mikro-Roboter könnten zum Beispiel nach Katastrophen in Ruinen nach Überlebenden suchen. Sie könnten Ärzte bei Operationen im Körper unterstützen oder auch die Umwelt auf Schadstoffe überwachen.

Jedes einzelne Exemplar besitzt dabei nur ein beschränktes Maß an Sensorik und Intelligenz. Auch wenn inzwischen die Miniaturisierung der Prozessoren erstaunliche Leistungen ermöglicht, setzen Forscher primär auf das Schwarmkonzept: Nur gemeinsam sind die billigen Mikro-Roboter stark. Dabei hilft inzwischen die Omnipräsenz digitaler Funknetze - die Kommunikation zwischen einzelnen Exemplaren ist dadurch problemlos.

Zwei weitere Schwierigkeiten sind aber noch nicht abschließend gelöst. Das ist zum einen die Frage der Energieversorgung. Damit die einzelnen Roboter autark arbeiten können, brauchen sie entweder winzige Akkus mit hoher Energiedichte oder aber die Fähigkeit, selbst aus der Umgebung Energie gewinnen zu können, etwa durch die Ausnutzung von Temperaturunterschieden.

Problem Nummer 2 ist die Fortbewegung - dabei gibt es enge Zusammenhänge zum Energieproblem. Fliegen zu können würde die Mikro-Roboter besonders flexibel machen, ist aber auch mit dem höchsten Energieverbrauch verbunden.

Besondere Hoffnungen setzen die Forscher derzeit darin, Energie- und Fortbewegungsproblem gleichzeitig zu lösen - etwa mit Hilfe externer Magnetfelder. Eine besonders clevere Konstruktion, die damit arbeitet, stellt ein internationales Team jetzt in den Applied Physics Letters vor. Die Wissenschaftler nennen ihre Roboter "Magnetosperm".

Weitere Miniaturisierung für nützliche Aufgaben

Der Ausdruck beschreibt Aussehen und Funktionsweise gut: Die Mikro-Roboter besitzen einen 42 Mikrometer langen Kopf, der mit einer dünnen Kobalt-Nickel-Schicht bedeckt ist, und einen biegsamen, 280 Mikrometer langen Schwanz aus Plastik. Die magnetische Beschichtung des Kopfes verleiht diesem ein Dipolmoment.

Unter dem Einfluss eines schwachen magnetischen Wechselfeldes (etwa in der Stärke eines Kühlschrankmagneten) wirkt dadurch auf das Magnetosperm eine Kraft, die den Kopf in Schwingungen versetzt. Das führt dazu, dass auch der Schwanz oszilliert - und sich das gesamte Magnetosperm in Bewegung versetzt.

Dabei erreicht es eine mittlere Geschwindigkeit von bis 53 Mikrometer pro Sekunde, die sich auf bis zu 158 Mikrometer pro Sekunde steigern lässt. Auf seine Größe bezogen, ist das nicht so langsam, wie es aussieht - auf den Menschen umgerechnet entspräche das gemütlichem Spazierengehen bis zu einer flotten Gangart.

Für die Zukunft hoffen die Forscher, das Magnetosperm noch weiter miniaturisieren zu können. Außerdem beschäftigen sie sich mit der Konstruktion von künstlichen Geißeln, mit denen die Mikro-Roboter dann auch nützliche Aufgaben ausführen könnten - etwa Gefäß-Innenwände von Ablagerungen zu befreien.