Die kleinsten autonomen Mikroroboter der Welt:200-µm-Schwimmer, die monatelang arbeiten

Robotik und Automatisierung INSIDER

Ein Mikroroboter auf einem US-Penny, der die Waage zeigt. (Bild:Michael Simari, University of Michigan)

Forscher der University of Pennsylvania und der University of Michigan haben die kleinsten vollständig programmierbaren, autonomen Roboter der Welt entwickelt:mikroskopisch kleine Schwimmmaschinen, die ihre Umgebung selbstständig wahrnehmen und darauf reagieren können, monatelang arbeiten und jeweils nur einen Cent kosten. Mit bloßem Auge kaum sichtbar, misst jeder Roboter etwa 200 mal 300 mal 50 Mikrometer, kleiner als ein Salzkorn. Die Roboter arbeiten im Maßstab vieler biologischer Mikroorganismen und könnten die Medizin voranbringen, indem sie die Gesundheit einzelner Zellen und die Fertigung überwachen und dabei helfen, Geräte im Mikromaßstab zu konstruieren.

Die von Licht angetriebenen Roboter tragen mikroskopisch kleine Computer und können so programmiert werden, dass sie sich in komplexen Mustern bewegen, lokale Temperaturen erfassen und ihre Wege entsprechend anpassen.

Beschrieben in Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) Die Roboter funktionieren ohne Halteseile, Magnetfelder oder Joystick-ähnliche Steuerung von außen und sind damit die ersten wirklich autonomen, programmierbaren Roboter dieser Größenordnung.

Jahrzehntelang wurde die Elektronik immer kleiner, aber Roboter hatten Mühe, Schritt zu halten. „Der Bau von Robotern, die bei Größen unter einem Millimeter selbstständig arbeiten, ist unglaublich schwierig“, sagte Miskin. „Die Fachwelt beschäftigt sich seit 40 Jahren mit diesem Problem.“

Die Kräfte, die die menschliche Welt beherrschen, wie Schwerkraft und Trägheit, hängen vom Volumen ab. Wenn es jedoch auf die Größe einer Zelle schrumpft, übernehmen an die Oberfläche gebundene Kräfte wie Widerstand und Viskosität die Oberhand. „Wenn man klein genug ist, ist das Vordringen auf dem Wasser wie das Vordringen durch Teer“, sagte Miskin. Mit anderen Worten:Auf der Mikroskala sind Strategien, die größere Roboter wie Gliedmaßen bewegen, selten erfolgreich. „Sehr kleine Beine und Arme brechen leicht“, sagt Miskin. „Außerdem sind sie sehr schwer zu bauen.“ Daher musste das Team ein völlig neues Antriebssystem entwickeln, das mit der einzigartigen Physik der Fortbewegung im mikroskopischen Bereich arbeitet und nicht gegen diese.

Große Wasserlebewesen wie Fische bewegen sich, indem sie das Wasser hinter sich herschieben. Dank des dritten Newtonschen Gesetzes übt das Wasser eine gleiche und entgegengesetzte Kraft auf den Fisch aus und treibt ihn vorwärts. Die neuen Roboter hingegen beugen ihren Körper überhaupt nicht. Vielmehr erzeugen sie ein elektrisches Feld, das Ionen in der umgebenden Lösung antreibt. Diese Ionen wiederum drücken auf nahe gelegene Wassermoleküle und beleben das Wasser um den Körper des Roboters. „Es ist, als wäre der Roboter in einem fließenden Fluss“, sagt Miskin, „aber der Roboter bringt auch den Fluss in Bewegung.“

Die Roboter können das elektrische Feld, das den Effekt verursacht, anpassen, sodass sie sich in komplexen Mustern bewegen und sogar in koordinierten Gruppen reisen können, ähnlich wie ein Fischschwarm, mit einer Geschwindigkeit von bis zu einer Körperlänge pro Sekunde.

Und weil die Elektroden, die das Feld erzeugen, keine beweglichen Teile haben, sind die Roboter äußerst langlebig. „Man kann diese Roboter mit einer Mikropipette wiederholt von einer Probe auf eine andere übertragen, ohne sie zu beschädigen“, sagt Miskin. Aufgeladen durch das Leuchten einer LED können die Roboter monatelang weiterschwimmen.

Um wirklich autonom zu sein, braucht ein Roboter einen Computer, der Entscheidungen trifft, Elektronik, um seine Umgebung zu erfassen und seinen Antrieb zu steuern, und winzige Solarpaneele, um alles mit Strom zu versorgen, und alles, was auf einen Chip passen muss, der nur einen Bruchteil eines Millimeters groß ist. Hier kam das Team von David Blaauw von der University of Michigan ins Spiel.

Blaauws Labor hält den Rekord für den kleinsten Computer der Welt. Als Miskin und Blaauw sich vor fünf Jahren zum ersten Mal bei einer Präsentation der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) trafen, wurde den beiden sofort klar, dass ihre Technologien perfekt zusammenpassten. „Wir haben gesehen, dass das Antriebssystem von Penn Engineering und unsere winzigen elektronischen Computer wie füreinander geschaffen sind“, sagte Blaauw. Dennoch brauchten beide Seiten fünf Jahre harter Arbeit, um ihren ersten funktionierenden Roboter zu liefern.

„Die größte Herausforderung für die Elektronik“, sagte Blaauw, „besteht darin, dass die Solarmodule winzig sind und nur 75 Nanowatt Leistung erzeugen. Das ist über 100.000 Mal weniger Strom als eine Smartwatch verbraucht.“ Um den Computer des Roboters mit so wenig Strom zu betreiben, entwickelte das Team aus Michigan spezielle Schaltkreise, die mit extrem niedrigen Spannungen arbeiten und den Stromverbrauch des Computers um mehr als das Tausendfache senken.

Dennoch nehmen die Solarpaneele den größten Teil des Platzes am Roboter ein. Daher bestand die zweite Herausforderung darin, den Prozessor und den Speicher so vollzustopfen, dass auf dem wenigen verbleibenden Platz ein Programm gespeichert werden konnte. „Wir mussten die Computerprogrammanweisungen völlig überdenken“, sagte Blaauw, „und das, was herkömmlicherweise viele Anweisungen zur Antriebssteuerung erfordern würde, in einer einzigen, speziellen Anweisung zusammenfassen, um die Länge des Programms so zu verkürzen, dass es in den winzigen Speicherraum des Roboters passt.“

Diese Innovationen ermöglichten den ersten Submillimeter-Roboter, der tatsächlich denken kann. Nach Kenntnis der Forscher hat noch niemand einen echten Computer – Prozessor, Speicher und Sensoren – in einen so kleinen Roboter eingebaut. Dieser Durchbruch macht diese Geräte zu den ersten mikroskopisch kleinen Robotern, die selbst wahrnehmen und handeln können.

Die Roboter verfügen über elektronische Sensoren, die die Temperatur auf ein Drittel Grad Celsius genau erfassen können. Dadurch können sich Roboter in Bereiche mit steigender Temperatur bewegen oder die Temperatur melden – ein Indikator für die Zellaktivität – und so den Zustand einzelner Zellen überwachen.

„Um ihre Temperaturmessungen zu melden, haben wir eine spezielle Computeranweisung entwickelt, die einen Wert, beispielsweise die gemessene Temperatur, in den Bewegungen eines kleinen Tanzes kodiert, den der Roboter vorführt“, sagt Blaauw. „Wir betrachten diesen Tanz dann durch ein Mikroskop mit einer Kamera und entschlüsseln aus den Bewegungen, was die Roboter zu uns sagen. Es ist der Art und Weise, wie Honigbienen miteinander kommunizieren, sehr ähnlich.“

Die Roboter werden durch Lichtimpulse programmiert, die sie auch mit Strom versorgen. Jeder Roboter hat eine einzigartige Adresse, die es den Forschern ermöglicht, auf jeden von ihnen unterschiedliche Programme zu laden. „Dies eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten“, fügte Blaauw hinzu, „wobei jeder Roboter möglicherweise eine andere Rolle in einer größeren, gemeinsamen Aufgabe übernimmt.“

Zukünftige Versionen der Roboter könnten komplexere Programme speichern, sich schneller bewegen, neue Sensoren integrieren oder in anspruchsvolleren Umgebungen agieren. Im Wesentlichen handelt es sich bei dem aktuellen Design um eine allgemeine Plattform:Sein Antriebssystem arbeitet nahtlos mit der Elektronik zusammen, seine Schaltkreise können kostengünstig im großen Maßstab hergestellt werden und sein Design ermöglicht das Hinzufügen neuer Fähigkeiten.

„Das ist wirklich nur das erste Kapitel“, sagte Miskin. „Wir haben gezeigt, dass man ein Gehirn, einen Sensor und einen Motor in etwas einbauen kann, das fast zu klein ist, um gesehen zu werden, und es monatelang überleben und funktionieren lässt. Sobald man diese Grundlage hat, kann man alle Arten von Intelligenz und Funktionalität hinzufügen. Es öffnet die Tür zu einer völlig neuen Zukunft für die Robotik im Mikromaßstab.“

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