Weltkleinste autonome Mikroroboter: 200 µm Schwimmer, die monatelang operieren

Robotics & Automation INSIDER

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

Forscher der University of Pennsylvania und University of Michigan haben die weltweit kleinsten vollständig programmierbaren, autonomen Roboter geschaffen: mikroskopische Schwimmmaschinen, die unabhängig ihre Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren, monatelang operieren und nur einen Cent kosten. Mit bloßem Auge kaum sichtbar, misst jeder Roboter etwa 200 mal 300 mal 50 Mikrometer, kleiner als ein Salzkorn. Auf der Skala vieler biologischer Mikroorganismen operierend, könnten die Roboter die Medizin voranbringen, indem sie die Gesundheit einzelner Zellen überwachen, und die Fertigung, indem sie beim Konstruieren mikroskaliger Geräte helfen.

Lichtgetrieben tragen die Roboter mikroskopische Computer und können programmiert werden, um in komplexen Mustern zu bewegen, lokale Temperaturen zu erfassen und ihre Pfade entsprechend anzupassen.

Beschrieben in Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), operieren die Roboter ohne Tether, Magnetfelder oder Joystick-ähnliche Steuerung von außen, was sie zu den ersten wirklich autonomen, programmierbaren Robotern in dieser Skala macht.

Seit Jahrzehnten werden Elektronik immer kleiner, aber Roboter haben Schwierigkeiten, Schritt zu halten. „Roboter zu bauen, die unabhängig unter einem Millimeter operieren, ist unglaublich schwierig“, sagte Miskin. „Das Feld ist im Wesentlichen seit 40 Jahren an diesem Problem hängengeblieben.“

Die Kräfte, die die menschliche Welt dominieren, wie Schwerkraft und Trägheit, hängen vom Volumen ab. Schrumpft man auf Zellgröße, übernehmen jedoch Kräfte, die an Oberfläche gebunden sind, wie Widerstand und Viskosität. „Wenn du klein genug bist, ist Wasserstoßen wie Teerschieben“, sagte Miskin. Mit anderen Worten: Auf der Mikroskala gelingen Strategien, die größere Roboter bewegen, wie Gliedmaßen, selten. „Sehr winzige Beine und Arme brechen leicht“, sagt Miskin. „Sie sind auch sehr schwer zu bauen.“ Also musste das Team ein völlig neues Antriebssystem entwerfen, das mit – statt gegen – der einzigartigen Physik der Fortbewegung im mikroskopischen Bereich arbeitet.

Große Wasserlebewesen wie Fische bewegen sich, indem sie Wasser hinter sich schieben. Dank Newtons Drittem Gesetz übt das Wasser eine gleich große und entgegengesetzte Kraft auf den Fisch aus, was ihn vorwärts treibt. Die neuen Roboter hingegen beugen ihren Körper überhaupt nicht. Stattdessen erzeugen sie ein elektrisches Feld, das Ionen in der umgebenden Lösung anstupst. Diese Ionen wiederum stoßen auf nahe Wassermoleküle und animieren das Wasser um den Roboterkörper. „Es ist, als wäre der Roboter in einem fließenden Fluss“, sagt Miskin, „aber der Roboter lässt den Fluss auch selbst fließen.“

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

Und weil die Elektroden, die das Feld erzeugen, keine beweglichen Teile haben, sind die Roboter extrem langlebig. „Man kann diese Roboter wiederholt mit einer Mikropipette von einer Probe zur anderen übertragen, ohne sie zu beschädigen“, sagt Miskin. Geladen vom Glühen einer LED, können die Roboter monatelang weiterschwimmen.

Um wirklich autonom zu sein, braucht ein Roboter einen Computer für Entscheidungen, Elektronik zum Erfassen der Umgebung und Steuern des Antriebs, und winzige Solarpaneele, um alles mit Energie zu versorgen – und all das muss auf einen Chip passen, der einen Bruchteil eines Millimeters groß ist. Hier kam David Blaauws Team an der University of Michigan ins Spiel.

Blaauws Lab hält den Rekord für den weltweit kleinsten Computer. Als Miskin und Blaauw sich vor fünf Jahren bei einer von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) veranstalteten Präsentation trafen, erkannten das Paar sofort, dass ihre Technologien perfekt zueinander passten. „Wir sahen, dass Penn Engineerings Antriebssystem und unsere winzigen elektronischen Computer genau füreinander gemacht waren“, sagte Blaauw. Dennoch brauchte es fünf Jahre harter Arbeit auf beiden Seiten, um ihren ersten funktionierenden Roboter zu liefern.

„Die Schlüsselforderung für die Elektronik“, sagte Blaauw, „ist, dass die Solarpaneele winzig sind und nur 75 Nanowatt Leistung produzieren. Das ist über 100.000-mal weniger Leistung als eine Smartwatch verbraucht.“ Um den Computer des Roboters mit so wenig Leistung zu betreiben, entwickelte das Michigan-Team spezielle Schaltungen, die bei extrem niedrigen Spannungen arbeiten und den Stromverbrauch des Computers um mehr als 1000-fach senken.

Trotzdem beanspruchen die Solarpaneele den Großteil des Platzes auf dem Roboter. Die zweite Herausforderung war also, Prozessor und Speicher für die Programmablage in dem verbleibenden kleinen Platz unterzubringen. „Wir mussten die Computerprogramminstruktionen völlig neu denken“, sagte Blaauw, „und das, was konventionell viele Anweisungen für Antriebssteuerung erfordern würde, in eine einzelne, spezielle Anweisung kondensieren, um die Programmlänge so zu verkleinern, dass sie in den winzigen Speicher des Roboters passt.“

Was diese Innovationen möglich machten, ist der erste Sub-Millimeter-Roboter, der tatsächlich denken kann. Soweit die Forscher wissen, hat niemand zuvor einen echten Computer – Prozessor, Speicher und Sensoren – in einen Roboter dieser Größe eingebaut. Dieser Durchbruch macht diese Geräte zu den ersten mikroskopischen Robotern, die selbstständig wahrnehmen und handeln können.

Die Roboter haben elektronische Sensoren, die Temperatur auf ein Drittel Grad Celsius genau detektieren können. Dies lässt Roboter zu Bereichen steigender Temperatur navigieren oder die Temperatur melden – ein Proxy für zelluläre Aktivität –, was es ihnen ermöglicht, die Gesundheit einzelner Zellen zu überwachen.

„Um ihre Temperaturmessungen zu melden, entwarfen wir eine spezielle Computerinstruktion, die einen Wert – wie die gemessene Temperatur – in den Wackelbewegungen eines kleinen Tanzes kodiert, den der Roboter aufführt“, sagt Blaauw. „Wir betrachten diesen Tanz dann durch ein Mikroskop mit Kamera und dekodieren aus den Wackelbewegungen, was die Roboter uns sagen. Es ist sehr ähnlich dazu, wie Honigbienen miteinander kommunizieren.“

Die Roboter werden durch Lichtpulse programmiert, die sie auch mit Energie versorgen. Jeder Roboter hat eine einzigartige Adresse, die es Forschern erlaubt, unterschiedliche Programme auf jeden von ihnen zu laden. „Das eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten“, fügte Blaauw hinzu, „mit jedem Roboter, der potenziell eine andere Rolle in einer größeren, gemeinsamen Aufgabe spielt.“

Zukünftige Versionen der Roboter könnten komplexere Programme speichern, schneller bewegen, neue Sensoren integrieren oder in anspruchsvolleren Umgebungen operieren. Im Wesentlichen ist das aktuelle Design eine generelle Plattform: ihr Antriebssystem arbeitet nahtlos mit Elektronik zusammen, ihre Schaltungen können günstig in großem Maßstab gefertigt werden, und ihr Design erlaubt das Hinzufügen neuer Fähigkeiten.

„Das ist wirklich nur das erste Kapitel“, sagte Miskin. „Wir haben gezeigt, dass man einen Verstand, einen Sensor und einen Motor in etwas fast zu Kleinem zum Sehen packen kann, und es monatelang überleben und arbeiten lassen kann. Einmal hat man dieses Fundament, kann man alle Arten von Intelligenz und Funktionalität darauf aufbauen. Es öffnet die Tür zu einer völlig neuen Zukunft für Robotik im Mikromaßstab.“

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