Donut-förmiger Mikro-Roboter bewegt sich lichtgesteuert autonom in Schleim
Ein von Laserlicht angeregter Mikro-Roboter aus speziellem Elastomer kann sich in viskosen Flüssigkeiten fortbewegen. Möglich macht das seine Donut-Form.
(Bild: Hao Zeng / Tampere University)
Wissenschaftler der finnischen Tampere University und der Anhui Jianzhu University in China haben einen Donut-förmigen Mikro-Roboter aus einem speziellen Elastomer entwickelt, der durch Laserlicht angeregt eine Bewegung vollführt und sich so in viskosen Flüssigkeiten fortbewegen kann. Die Forscher sehen eine Einsatzmöglichkeit des Roboters in der Medizin und in der Umweltüberwachung.
Mikroorganismen können sich in zähflüssigen Umgebungen spielend leicht fortbewegen. Dazu haben sie unterschiedliche Fortbewegungsmechanismen entwickelt, wie etwa Korkenzieherbewegungen, wellenförmige Bewegungen mit Flimmerhärchen oder peitschenartige Schläge. Inspiriert von der Natur haben sich die Forscher der Tampere University überlegt, wie ein Mikro-Roboter die Viskosivitätskräfte überwinden kann. Ihre Forschungsergebnisse haben sie in der Studie "Light-steerable locomotion using zero-elastic-energy modes" dargelegt, die in Nature Materials veröffentlicht ist.
Drehbewegung durch Laserlicht
Zentrales Element des Roboters ist ein flüssigkristallines Material, das auf Laserlicht reagiert. Bei Erwärmung führt das Elastomer aufgrund eines Zero-Elastic-Energy Mode (ZEEM), der durch ein Zusammenspiel von statischen und dynamischen Kräften entsteht, selbstständig eine Drehbewegung aus.
Die Forscher griffen als Form für den Roboter auf eine Donut-Form zurück. Der Physiker Edward Purcell hatte bereits 1977 nachgewiesen, dass eine toroidale Form die Navigation mikroskopisch kleiner Organismen in Umgebungen verbessern kann, in denen viskose Kräfte vorherrschen und Trägheitskräfte vernachlässigbar sind. Dies wird als Stokes-Regime bezeichnet. Bisher wurde jedoch noch kein solch toroidaler Schwimmer entwickelt.
"Unsere Innovation ermöglicht dreidimensionales freies Schwimmen im Stokes-Regime und eröffnet neue Möglichkeiten für die Erkundung begrenzter Räume, wie etwa mikrofluidischer Umgebungen. Darüber hinaus können diese toroidalen Roboter zwischen Roll- und Selbstfahrmodus wechseln, um sich ihrer Umgebung anzupassen", sagt Ziuan Deng, Doktorand und Erstauto der Studie.
Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihre Forschungsarbeit dazu beitragen kann, Mikro-Roboter zu entwickeln, die sich in komplexen Umgebungen bewegen können. Als Einsatzgebiete sehen die Forscher etwa medizinische Anwendungen zum Transport von Medikamenten im menschlichen Körper oder zur Überwachung der Umwelt.
(olb)