Mikro- und Nanoroboter räumen auf

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Nur die größten unter den Milli-, Mikro- und Nanorobotern bewegen sich unter Bedingungen, die denen in der Makrowelt ähneln. Zum Beispiel im Miniatur-Wunderland in Hamburg, das unter anderem die größte Modelleisenbahnanlage der Welt beherbergt: In deren weitverzweigtem Straßennetz im Maßstab 1:87 suchen sich gelegentlich autonome Kleinwagen der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) ihren Weg. Sie müssen dabei auch mit 9250 ortsansässigen Modellautos klarkommen, von denen 250 nach einfachen Programmen durch die Straßen fahren.

Stephan Pareigis und Tim Tiedemann vom HAW-Forschungslabor für autonome Systeme nutzen das Wunderland als Testgelände für selbstfahrende Fahrzeuge. Dabei erweist sich schon die Konstruktion ihrer Mini-Autos als eine Herausforderung. Die Fahrzeuge sind nicht nur mit einem lenkbaren Chassis, Elektromotor und Lithium-Ionen-Akku versehen, sondern zusätzlich mit einem Raspi Zero WH plus Kameramodul. Der Einplatinencomputer ist 31,2 mm breit, 65 mm lang und 5 mm hoch. Damit setzt er die Maße für die Grundfläche der Kleinwagen im Maßstab 1:87. Das Raspi-Kameramodul V2 misst 23,86 mm × 25 mm × 9 mm und ist als senkrechter Aufbau positioniert.

Fahrtest in der Miniaturwelt

Mit dieser Ausrüstung erproben die Minis visuelle Navigation. In den Augen der Hamburger Forscher bilden ihre Testfahrten einen interessanten Kompromiss zwischen abstrakten Simulationen einerseits und Tests mit Fahrzeugen in Originalgröße andererseits. Die Wissenschaftler können damit insbesondere riskante Verkehrssituationen in einer wirklichen physischen Umgebung durchspielen, ohne größere materielle Schäden oder gar Verletzte befürchten zu müssen. Auch für Lernverfahren, die das Fahrverhalten in Echtzeit optimieren und derzeit auf öffentlichen Straßen nicht zum Einsatz kommen dürfen, stellt die Hamburger Miniwelt ein attraktives Testgelände dar.

Im Bereich kleiner Roboter ist das autonome Fahren jedoch ein eher exotisches Thema. Mikroroboter haben Körperausmaße im Mikrometerbereich, also deutlich unter einem Millimeter. Die noch kleineren Nanoroboter werden gar in Nanometer, also in millionstel Millimeter gemessen. Als mögliche Anwendungen der winzigen Kleinstroboter gelten Untersuchungen und Operationen im menschlichen Körper sowie massiv parallel durchgeführte Produktionsprozesse.

Eine Fabrikationsanlage, die selbst im Miniatur-Wunderland winzig erscheinen würde, stellte Eric Diller von der University of Toronto auf der jüngsten International Conference on Robotics and Automation (ICRA) in Montreal vor. In einem Zylinder, der mit 30 mm Höhe und 4 mm Durchmesser einem abgeschnittenen Strohhalm gleichkommt, gelingt es ihm, Teile in der Größenordnung von 300 µm bis zu 3 mm zu greifen und gezielt zu platzieren. Aus bis zu neun Komponenten setzte Diller dabei beispielsweise die Buchstaben UT für University of Toronto zusammen oder auch ein winziges Männchen, inspiriert von den Steinfiguren kanadischer Ureinwohner, den Inuksuk. Der mittlere quadratische Fehler bei der vertikalen Positionierung der einzelnen Komponenten liege bei maximal 1,5 Prozent der Länge des jeweiligen Werkstücks, so der Forscher.

Die beachtliche Präzision gelingt mithilfe einer Kombination aus magnetischer und akustischer Mikromanipulation: Ein akustisches Feld, erzeugt durch 37 Ultraschallwandler in zwei gegenüberliegenden Halbkugeln, hebt die Teile vertikal an, während ein Magnetfeld ihre Ausrichtung im Raum kontrolliert und bei Greifern beispielsweise auch das Öffnen oder Schließen auslöst. Magnetische Teile dienen somit als Trägerplattformen für nichtmagnetische Teile.

Bereits in diesen Dimensionen, in denen noch mit Millimetern gemessen wird, kommen ganz andere Effekte zum Tragen als in der traditionellen Industrierobotik. Elektrostatik, Oberflächenspannung und Van-der-Waals-Kräfte, Wechselwirkungen zwischen Molekülen können die Schwerkraft leicht dominieren und traditionelle Greifverfahren an ihre Grenzen bringen. Serena Ruggeri und ihre Mitarbeiter bei der italienischen Forschungsbehörde CNR hatten damit zu kämpfen, als sie untersuchten, wie sich die Wiederverwendung der Komponenten miniaturisierter integrierter Schaltkreise automatisieren lässt. Elektrostatische Kräfte lösten nicht selten einen ungewollten Griff aus, wie umgekehrt Kapillarkräfte bewirken können, dass sich ein absichtlich gegriffenes Objekt nicht mehr vom zierlichen Greifer ablöst.

Mit einem Vakuumgreifer ließ sich diese Problematik schließlich umgehen. Dieser kann 0,5 mm große Lötkugeln und 1,5 mm × 0,8 mm × 0,45 mm große Widerstände sicher greifen und ablegen – wenn auch sehr langsam. Eine Erweiterung dieses Systems besteht darin, Stutzen unterschiedlicher Größe als Wechselwerkzeuge bereitzustellen. Der Größenbereich für die zu greifenden Teile konnte so erweitert werden, berichtete das Wissenschaftler-Team um Ruggeri im Juni 2017 auf der International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing (FAIM).

Energie und Steuerung von außen

Ein wesentliches Problem für Robotik im Mikrometer-Bereich: In dieser Größenordnung lassen sich Roboter kaum noch mit eigener Energieversorgung, Rechenkapazität oder Sensorik ausstatten. Aber auch für komplett passive Systeme gibt es sinnvolle Einsatzszenarien. So beschreiben Hakan Ceylan und Metin Sitti im Jahrbuch 2017 der Max-Planck-Gesellschaft, wie ziellos durch die menschlichen Adern schwimmende Mikroroboter mithilfe von Antikörpern ungewöhnlich hohe Konzentrationen des Enzyms Matrix-Metalloproteinase erkennen können, das die Nähe einer Krebszelle anzeigt. Der Roboter soll daraufhin an die Krebszelle andocken und ein Medikament sowie ein Kontrastmittel freisetzen, während er sich selbst zersetzt. Wie bei Bakterien ist die Intelligenz dieser Roboter nicht separat programmiert, sondern steckt im Körperbau selbst.

Wenn dagegen gezielte Eigenbewegungen der Roboter gefordert sind, kann man sie über externe Kraftfelder fernsteuern. Beispielsweise durch akustische Felder, wie Azadeh Ansari am Georgia Institute of Technology an einfachen Robotern mit vier oder sechs starren Beinen demonstrierte. Ansaris Roboter haben eine Körperlänge von zwei Millimetern, etwa wie eine kleine Ameise. Die Beine werden durch Schallwellen in Vibration versetzt, wodurch der Roboter in Versuchen auf Geschwindigkeiten bis zu vier Körperlängen pro Sekunde getrieben worden ist. Mit diesem Antriebsprinzip lassen sich einzelne Roboter gezielt ansprechen. Durch unterschiedliche Empfindlichkeiten der Beine für verschiedene Frequenzen können die Forscher ihre Miniroboter auch ganz gezielt in eine bestimmte Richtung laufen lassen.

Echte Mikroroboter mit zwei bis vier Beinen hat Marc Miskin mit seinem Forschungsteam an der Cornell University in Ithaca (New York) geschaffen. Seine Krabbler sind gerade 70 µm lang, weniger als die Dicke eines menschlichen Haares, eher die Stärke von drei Lagen Zellophanfolie. Trotzdem verfügen diese Roboter über Solarzellen, die jedes Beinpaar antreiben. Diese Paare bestehen aus einer Platin- und einer Titan-Schicht und reagieren auf Spannung aus der Solarzelle mit einer plötzlichen Krümmung (Video "Legionen vom Wafer: Krabbelfähige Mikroroboter legen los"). Der Rumpf besteht aus einer Siliziumschicht mit eingeätzten elektronischen Steuerelementen auf einem Glaskörper.

Millionen Robos auf einem Wafer

Besonders interessant für den Großeinsatz sind Miskins Roboter, weil sie sich in großen Serien herstellen lassen. Sie entstehen in einem mehrstufigen Verfahren auf vier Zoll großen Silizium-Wafern – über eine Million mobiler Mikroroboter auf einem Wafer. Diese Legionen, in bewährten Verfahren der Halbleiterindustrie entstanden, erweisen sich zudem als erstaunlich robust, zum Beispiel gewappnet für turbulente Einsätze in der menschlichen Blutbahn. So haben die Forscher festgestellt, dass ihre Roboter selbst die Injektion mittels einer Spritze überstehen und danach noch funktionieren.

Bis dahin müssen die Forscher aber noch weitere Probleme lösen. So würde die Energieversorgung durch Laser nur in den oberen Hautschichten funktionieren. Miskin und sein Team denken daher über Ultraschall oder Magnetfelder als alternative Energiequellen nach. Darüber hinaus überlegen sie, die Mikroroboter im Siliziumrumpf mit zusätzlichen Sensoren, Uhren oder einer komplexeren Elektronik auszustatten, um ihre Selbstläufer zu intelligenteren Pflegekräften weiterzuentwickeln. Aber bis dahin ist es für die kleinen Krabbler noch ein weiter Weg.

Schwärme im Magnetfeld

In der Fachzeitschrift Science Robotics präsentierte ein chinesisches Team um Hue Xie vom Harbin Institute of Technology kürzlich ein Verfahren, mit dem die Forscher Schwärme von Mikrorobotern durch wechselnde Magnetfelder in verschiedene Formationen bringen. Je nach Frequenz und Polarisierung versetzt das Magnetfeld die einzelnen erdnussförmigen Roboter in unterschiedliche Rotations- oder Pendelbewegungen. Durch die Interaktionen untereinander fügen sich die magnetisierten Roboter daraufhin zu Wirbeln, Ketten oder Bändern zusammen. Auf diese Weise, so die Forscher, ließe sich ein Roboterschwarm als Kette durch schmale Öffnungen steuern. Er könne aber auch in kleinen Gruppen synchronisiert agieren oder durch Zusammenballung zu einem Wirbel größere Objekte handhaben, vergleichbar einer Ameisengruppe, die gemeinsam eine große Last bewegt.

Koordiniertes kollektives Verhalten einzelner Mikroroboter

Gemeinsam mit Xiaoguang Dong verfolgt Metin Sitti am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme einen ähnlichen Ansatz. Auch diese beiden Forscher kompensieren die beschränkten Möglichkeiten einzelner Mikroroboter durch koordiniertes kollektives Verhalten, wie sie jüngst auf der Fachkonferenz Robotics: Science and Systems (RSS) in Freiburg demonstrierten. Für ihre Machbarkeitsstudie zur Steuerung von Mikroroboterschwärmen haben die Forscher bis zu 260 Mikroroboter in der Größe von 100 bis 350 µm Durchmesser koordiniert und auf einer Wasseroberfläche zweidimensionale Formationen bilden lassen.

Zum einen müssen die einzelnen Mikroroboter einander abstoßen, um Zusammenballungen zu vermeiden. Auf der anderen Seite reagieren sie auf ein externes Magnetfeld, indem sie einen Gleichgewichtszustand anstreben, der die potenzielle magnetische Energie des Gesamtsystems minimiert. Mithilfe von Arrays aus Dauermagneten unter dem Wasserbehälter konnten die Forscher gezielt statische Formationen hervorrufen, beispielsweise Ellipsen, Kreise oder Ringe. Darüber hinaus konnten die Forscher ihre Roboterschwärme auch koordiniert bewegen. Beeinflusst durch ein Array von neun Magneten verhält sich der Roboterschwarm wie ein geschmeidiger, anpassungsfähiger Organismus und lässt sich durch einen Parcours mit Hindernissen und schmalen Öffnungen navigieren. Einfache Manipulationen sind mit diesem System bereits möglich: Die Roboter können Gegenstände umzingeln und gemeinsam transportieren.

Roboter-Schwimmstile

Auch bei schwimmenden Kleinstrobotern lassen sich die Gliedmaßen durch externe Kraftfelder einzeln aktivieren und damit regelrechte Schwimmstile programmieren. Jaskaran Grover und sein Forschungsteam an der Carnegie Mellon University konnten einen stabförmigen, zweigliedrigen Roboter in Millimetergröße durch magnetische Felder zu Schwimmbewegungen anregen. Im Experiment gelangen geradlinige Bewegungen, Drehen auf der Stelle sowie ein rechteckiger Kurs.

Während diese Fortbewegungsweise entfernt an Brustschwimmen erinnert, haben sich Forscher am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme an Quallen orientiert. Wie Grover haben sie ihren Ansatz kürzlich auf der RSS 2019 vorgestellt: Ihre 5 mm durchmessenden, kreisförmigen Roboter bestehen aus acht Speichen aus der magnetischen Legierung Neodym-Eisen-Bor, über die eine dünne Kunststoffmembran gespannt ist. Je nach Polung des angelegten Magnetfeldes biegen sich die Speichen nach oben oder unten und erzeugen so eine Schwimmbewegung. Die größte Geschwindigkeit wurde erzielt bei einer Aktivierungsfrequenz von 10 bis 20 Hertz. Je nach Feldstärke wurden Geschwindigkeiten bis 50 Millimeter pro Sekunde erreicht.

Im Darm starten die Motoren

Wenn solche Roboter nicht nur im Labor ihre Runden drehen, sondern direkt im Körper Tumore bekämpfen sollen, sind Echtzeitinformationen über ihre Position erforderlich. Zhiguang Wu und sein Team am California Institute of Technology haben im Experiment ihre Mikroroboter in Kapseln an Mäuse oral verabreicht. Zum Einsatz kamen Mikrokapseln mit 68, 136 sowie 750 µm Durchmesser.

Als bildgebendes Verfahren und um Aktionen der Kapsel zu steuern, verwenden die Forscher fotoakustische Computertomografie. Bei diesem Verfahren erwärmen kurze Lichtimpulse aus dem Spektralbereich des nahen Infrarots das Körpergewebe leicht, woraufhin dieses Ultraschallsignale erzeugt. Aus der Laufzeit dieser Signale ließen sich im Experiment bis zu sieben Zentimeter tief reichende dreidimensionale Darstellungen des Gewebes modellieren und der Weg der Mikrokapseln verfolgen.

Eine drei- bis vierfach höhere Konzentration durch die Motoren

Sobald die Mikrokapseln eine erkrankte Stelle im Darm erreichten, aktivierten die Forscher durch Lichtimpulse die Zersetzung der Kapseln. Die darin enthaltenen Mikromotoren mit jeweils etwa 20 µm Durchmesser wurden freigesetzt und durch den Kontakt mit Wasser im Darm aktiviert. Die Mikromotoren setzen chemische Energie in kinetische Energie um, indem sie Gasblasen erzeugen, die sie durch Rückstoß vorantreiben. Geschwindigkeiten von 10 Mikrometer pro Sekunde gelten als schnell, 100 µm/s als superschnell. Die von Wus Team verwendeten Mikroroboter lagen bei 45 µm/s. Sie enthielten als Treibstoff das biologisch unproblematische Magnesium und transportierten Anti-Krebs-Medikamente.

Zwar lässt sich die Bewegungsrichtung der einzelnen Motoren nicht kontrollieren. Doch die gezielte Freigabe und die hohe Auftreffgeschwindigkeit am Tumor bewirkten dort eine drei- bis vierfach höhere Konzentration des Medikaments als bei passiv durch den Darm wandernden Partikeln.

Nanotechnik gegen Mikroplastik

Mikromotoren können nicht nur im Körper aufräumen. Juliane Simmchen an der TU Dresden erforscht, wie mithilfe dieser Technologie kleinste Plastikteile mit Durchmessern unter zwei Millimetern eingesammelt werden können. Bei Verwendung von Titandioxid als Treibstoff lagerten sich in einer Lösung die Plastikteile an die Mikromotoren an. Welche Interaktionen dazu führten, sei noch nicht ganz verstanden, sagt Simmchen. Sie vermutet die Ursache in der chemischen Asymmetrie der Mikromotoren.

Zudem gelang es der Forscherin, mithilfe von Magnetfeldern im Wasserbad Ketten von Mikromotoren zu bilden. Diese konnten das Mikroplastik einkreisen wie einen Ölteppich. Auf dem Weg zur Einsatzreife wollen die Dresdner Forscher die Selektivität des Systems erhöhen. Die Mikromotoren sollen in der Lage sein, Mikroplastik in der Vielfalt anderer Materialien als Schadstoff zu erkennen und gezielt zu entfernen.

Mit einem Durchmesser von 1 Mikrometer würden die Dresdner Mikromotoren auch noch als große Nanoroboter durchgehen. Sie bewegen sich damit in einer Welt, wo die Grenze zwischen chemischer und mechanischer Interaktion verschwimmt, biologische und künstliche Gebilde nähern sich einander an. Gleichwohl ist auch hier gezielte Fortbewegung möglich. Die Paradoxie des Dresdner Ansatzes macht zugleich dessen Charme aus. Das wachsende Problem von Mikroplastik in der Umwelt kann in der Zukunft möglicherweise nur durch ein wachsendes Heer von Nanorobotern aufgespürt und eingedämmt werden.

Dieser Beitrag stammt aus c't 19/2019. (agr)