Wie lebende Zellen: Forscher zeigen kleinste autonome Roboter

Forscher in den USA haben die kleinsten voll programmierbaren, autonomen Roboter der Welt entwickelt: Es handelt sich um winzige Schwimmmaschinen, die eigenständig ihre Umgebung wahrnehmen, darauf reagieren und über Monate hinweg arbeiten können.

Wie ein Salzkorn

Die Mikroroboter sind kaum mit bloßem Auge sichtbar: Mit Abmessungen von etwa 200 mal 300 mal 50 Mikrometern sind sie kleiner als ein Salzkorn. Damit operieren sie auf derselben Größenordnung wie viele biologische Mikroorganismen.

Anwendungen könnten sowohl in der Medizin, etwa zur Überwachung einzelner Zellen, als auch in der Fertigung von mikroskaligen Geräten liegen. Dabei liegen die Kosten bei der Produktion großer Stückzahlen voraussichtlich unter einem Cent pro Stück, hieß es.

Angetrieben durch Licht, verfügen die Roboter über winzige Computer und Sensoren. Sie lassen sich programmieren, um komplexe Bewegungsmuster auszuführen, lokale Temperaturen zu erfassen und ihren Kurs entsprechend anzupassen. Anders als frühere Mikroroboter benötigen sie weder Kabel noch Magnetfelder oder externe Steuergeräte, sie sind vollständig autonom.

"Wir haben autonome Roboter um den Faktor 10.000 kleiner gemacht", erklärte Marc Miskin, Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der University of Pennsylvania und leitender Autor der Forschungsarbeit. "Das eröffnet eine völlig neue Dimension für programmierbare Roboter."


Die Entwicklung winziger Roboter stellte die Wissenschaftler vor enorme physikalische Herausforderungen: Auf mikroskopischer Ebene dominieren Oberflächenkräfte wie Reibung und Viskosität, während Gravitations- und Trägheitskräfte kaum eine Rolle spielen. Klassische Fortbewegungsmechanismen wie Beine oder Arme sind hier schwer umsetzbar und könnten leicht beschädigt werden.

Deshalb entwickelten die Teams ein völlig neues Antriebssystem: Die Roboter erzeugen elektrische Felder, die Ionen in der umgebenden Flüssigkeit bewegen und so das Wasser um den Roboter herum in Bewegung setzen - ein Prinzip, das die Roboter auch in Schwärmen koordinieren könnten.

Versorgt per Solarzelle

Die Computertechnik stammt von der University of Michigan, wo das Team um David Blaauw den kleinsten Computer der Welt entwickelte. Auf einem winzigen Chip vereinen die Roboter Prozessor, Speicher und Sensoren. Selbst die minimalen Solarzellen liefern nur 75 Nanowatt. Die Ingenieure optimierten Schaltkreise und Programmierlogik, um die Energie effizient zu nutzen.

Die Mikroroboter können Temperaturunterschiede auf ein Drittel Grad genau erkennen, selbstständig Entscheidungen treffen und sogar "tanzen", um Daten wie Messwerte an externe Beobachter zu übermitteln, ähnlich der Kommunikation von Honigbienen. Künftig könnten die Roboter komplexere Aufgaben übernehmen, weitere Sensoren integrieren oder in anspruchsvolleren Umgebungen arbeiten.

"Dies ist nur der erste Schritt", sagt Miskin. "Wir haben gezeigt, dass sich Gehirn, Sensor und Antrieb in etwas packen lassen, das fast unsichtbar ist und monatelang funktioniert. Daraus kann sich eine völlig neue Zukunft der Mikrorobotik entwickeln."


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