Faltbare Roboter in Nanogröße

Ein voll funktionsfähiger Nano-Roboter benötigt elektronische Schaltungen, Photovoltaik, Sensoren und Antennen. Aber wenn sich der Roboter bewegen muss, muss er sich biegen können. Forscher haben mikrometergroße Formgedächtnisaktoren entwickelt, die es atomar dünnen zweidimensionalen Materialien ermöglichen, sich selbst in 3D-Konfigurationen zu falten. Alles, was sie brauchen, ist ein kurzer Spannungsstoß. Und wenn das Material einmal gebogen ist, behält es seine Form auch nach dem Entfernen der Spannung.

Stellen Sie sich eine Million fabrizierter mikroskopischer Roboter vor, die sich von einem Wafer lösen, die sich selbst in Form falten, frei kriechen und ihren Aufgaben nachgehen und sich sogar zu komplizierteren Strukturen zusammenfügen. Der Formgedächtnisaktuator der Roboter kann mit Spannung fahren und eine gebogene Form halten.

Die Aktuatoren können sich mit einem Krümmungsradius von weniger als einem Mikrometer biegen – die höchsten Krümmungen aller spannungsgesteuerten Aktuatoren um eine Größenordnung. Diese Flexibilität ist wichtig, da eines der Grundprinzipien der mikroskopischen Roboterherstellung darin besteht, dass die Robotergröße dadurch bestimmt wird, wie klein die verschiedenen Gliedmaßen zusammengefaltet werden können. Je enger die Biegungen, desto kleiner die Falten und desto kleiner die Stellfläche für jede Maschine. Es ist auch wichtig, dass diese Biegungen vom Roboter gehalten werden können, was den Stromverbrauch minimiert – eine Eigenschaft, die besonders für mikroskopisch kleine Roboter und Maschinen von Vorteil ist.

Die Geräte bestehen aus einer nanometerdünnen Platinschicht, die mit einem Titan- oder Titandioxidfilm bedeckt ist. Auf diesen Schichten sitzen mehrere starre Scheiben aus Siliziumdioxidglas. Beim Anlegen einer positiven Spannung an die Aktoren werden Sauerstoffatome in das Platin getrieben und tauschen mit Platinatomen die Plätze. Dieser als Oxidation bezeichnete Prozess bewirkt, dass sich das Platin in den Nähten zwischen den inerten Glasscheiben auf einer Seite ausdehnt, wodurch die Struktur in ihre vorgegebene Form gebogen wird. Diese Form können die Maschinen auch nach Abschalten der Spannung beibehalten, da sich die eingebetteten Sauerstoffatome zu einer Barriere zusammenballen, die ein Ausdiffundieren verhindert.

Durch Anlegen einer negativen Spannung an das Gerät können die Forscher die Sauerstoffatome entfernen und das Platin schnell wieder in seinen ursprünglichen Zustand versetzen. Und durch Variieren des Musters der Glasscheiben – und ob das Platin auf der Ober- oder Unterseite freiliegt – können sie eine Reihe von Origami-Strukturen schaffen, die durch Berg- und Talfalten aktiviert werden.

Die winzigen Schichten sind etwa 30 Atome dick, verglichen mit einem Blatt Papier, das 100.000 Atome dick sein könnte. Die Maschinen klappen sich innerhalb von 100 Millisekunden zusammen. Sie können sich auch tausende Male flachdrücken und wieder zusammenfalten. Und sie brauchen nur ein einziges Volt, um zum Leben erweckt zu werden.

Das Team arbeitet derzeit daran, die Formgedächtnis-Aktuatoren mit Schaltkreisen zu integrieren, um Laufroboter mit faltbaren Beinen sowie blattähnliche Roboter herzustellen, die sich wellenförmig vorwärts bewegen. Diese Innovationen könnten eines Tages zu Nanorobotern führen, die bakterielle Infektionen aus menschlichem Gewebe entfernen können, zu Mikrofabriken, die die Fertigung verändern können, und zu chirurgischen Roboterinstrumenten, die zehnmal kleiner sind als aktuelle Geräte.