Forscher der University of Pennsylvania und der University of Michigan haben einen bedeutenden Meilenstein in der Robotik erreicht: die Entwicklung völlig autonomer, solarbetriebener Roboter, deren Herstellung nur einen Cent kostet. Diese Maschinen, die kleiner als ein Salzkorn sind, überwinden jahrzehntelange Herausforderungen in der Mikrorobotik, indem sie elektrische Antriebe und neuartige Schaltungsdesigns nutzen. Die Entwicklung öffnet Türen für Fortschritte in der Nanotechnologie, der medizinischen Forschung und darüber hinaus.
Die jahrzehntelange Herausforderung der Mikrorobotik
Seit 40 Jahren kämpft die Robotik mit dem Bau unabhängiger Roboter im Submillimetermaßstab. Das Problem ist nicht nur die Miniaturisierung; es ist Physik. Wenn Objekte schrumpfen, wird die Trägheit weniger dominant, während Oberflächeneffekte wie Viskosität und Widerstand die Oberhand gewinnen. Das bedeutet, dass herkömmliche Lokomotivkonstruktionen wie Beine oder Arme auf der Mikroebene unpraktisch werden – die Bewegung durch Flüssigkeiten in diesem Maßstab ist vergleichbar mit dem Durchdringen von Teer. Die Lösung des Teams verzichtet gänzlich auf mechanische Gliedmaßen und verlässt sich stattdessen auf elektrische Felder, um die Roboter anzutreiben.
Wie sie funktionieren: Elektrizität, Ionen und Wasser
Jeder etwa 200 x 300 x 50 Mikrometer große Roboter wandelt die Energie von winzigen Solarpaneelen in ein elektrisches Feld um, wenn er in eine Lösung getaucht wird. Dieses Feld drückt nahegelegene Ionen, die dann umgebende Wassermoleküle verdrängen und so Bewegung erzeugen. Die Roboter sind nicht auf einfache Vorwärts- oder Rückwärtsbewegungen beschränkt; Durch die Anpassung des elektrischen Feldes können sie sich einzeln oder in koordinierten Mustern bewegen und so das Verhalten eines Fischschwarms nachahmen. Die Forscher erklären es damit, dass sich der Roboter sowohl in einem fließenden Fluss befindet als auch den Fluss in Bewegung versetzt.
Überwindung von Leistungsbeschränkungen: Radikales Schaltungsdesign
Die Miniaturisierung stellt eine weitere Hürde dar: begrenzter Platz für Stromquellen, Speicher und Schaltkreise. Die Roboter verbrauchen lediglich 75 Nanowatt – über 100.000 Mal weniger als eine Smartwatch. Um dieses Problem anzugehen, haben Ingenieure der University of Michigan völlig neue Schaltungsdesigns entwickelt, die mit niedrigen Spannungen arbeiten und so den Strombedarf des Roboters um mehr als das Tausendfache reduzieren. Die Solarpaneele nehmen den größten Teil der Oberfläche des Roboters ein, daher musste das Team die Programmieranweisungen radikal verdichten.
Kommunikation durch Bewegung: Der „Wiggle Dance“
Die Mikroroboter verfügen über Sensoren, die die Temperatur mit hoher Genauigkeit (innerhalb eines Drittels Grad Celsius) erfassen können. Um über ihre Ergebnisse zu berichten, nutzen sie eine einzigartige, von Honigbienen inspirierte Kommunikationsmethode. Sie kodieren Daten in einen „Wackeltanz“ – ein spezifisches Bewegungsmuster, das Forscher mit einem Mikroskop und einer Kamera entschlüsseln können. Dadurch können die Roboter Informationen übertragen, ohne dass komplexe drahtlose Systeme erforderlich sind.
Zukünftige Auswirkungen
Die aktuellen Roboter können bereits Temperaturänderungen erfassen, was sie möglicherweise zur Verfolgung der Zellaktivität und zur Beurteilung der Zellgesundheit nützlich macht. Doch nun ist der Grundstein für noch weitergehende Fähigkeiten gelegt. Mit weiterer Verfeinerung könnten diese Mikroroboter zusätzliche Sensoren integrieren und in immer komplexeren Umgebungen navigieren, was Möglichkeiten für die gezielte Medikamentenabgabe, die Umgebungsüberwachung oder sogar die Präzisionsfertigung eröffnen würde.
„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“, sagte Marc Miskin, leitender Ingenieur an der University of Pennsylvania. Dieser Durchbruch löst nicht nur ein seit langem bestehendes Robotikproblem, sondern eröffnet auch eine neue Ära der Möglichkeiten für ultrakleine autonome Maschinen.
