Magnetische Mikroroboter

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben eine Mikro­maschine entwickelt, die unters­chiedliche Aktionen ausführen kann. Dafür werden zuerst Nanomagnete in Bauteilen des Mikroroboters magnetisch programmiert und die verschiedenen Bewegungen dann durch Magnet­felder gesteuert. Solche nur wenige Mikro­meter messende Maschinen könnten beispiels­weise im menschlichen Körper eingesetzt werden, um kleine Operationen durch­zuführen. 

Der nur wenige Mikrometer messende Roboter erinnert an einen mithilfe der japanischen Faltkunst herge­stellten Papier­vogel. Doch anders als ein Papier­gebilde bewegt sich der Roboter ohne dass eine sichtbare Kraft auf ihn einwirkt. Er schlägt mit den Flügeln oder krümmt seinen Hals und zieht seinen Kopf ein. Möglich sind diese Aktionen durch Magne­tismus. Die Forscher haben die Mikromaschine unter anderem aus Materialien zusammen­gesetzt, die kleine Nano­magnete enthalten. Diese Nanomagnete können so programmiert werden, dass sie eine bestimmte magnetische Ausrichtung annehmen. Wenn die program­mierten Nanomagnete dann einem Magnetfeld ausgesetzt werden, wirken spezi­fische Kräfte auf sie. Befinden sich diese Magnete in flexiblen Bauteilen, dann führen die auf sie wirkenden Kräfte zu einer Bewegung.

Die Nanomagnete lassen sich immer wieder neu programmieren. Das führt zu jeweils unter­schiedlichen Kräften, die auf die Konstruktion wirken, und neuen Bewegungen. Für den Bau des Mikro­roboters platzierten die Forscher Reihen von Kobalt­magneten auf dünnen Schichten von Silizium­nitrid. Der „Vogel“ aus diesem Material konnte verschiedene Bewegungen ausführen, beispiels­weise flattern, rütteln, sich umdrehen oder zur Seite gleiten. „Diese Bewegungen des Mikro­roboters spielen sich im Bereich von Millisekunden ab“, sagt Laura Heyderman, Leiterin des Labors für Multi­skalen Materialien Experimente. „Das Programmieren der Nanomagnete geschieht dagegen innerhalb weniger Nano­sekunden.“ Das ermöglicht, unterschiedliche Bewegungen zu program­mieren. Bezogen auf das Modell des Mikrovogels bedeutet das, dass man ihn beispiels­weise zunächst flattern, anschließend zur Seite gleiten und dann wieder flattern lassen kann. „Wenn nötig, könnte man ihn dazwischen auch mal rütteln lassen“, sagt Heyderman.

Dieses neuartige Konzept ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Mikro- und Nanorobotern, die nicht nur Informationen für eine einzelne bestimmte Aktion speichern, sondern immer wieder neu programmiert werden können, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen. „Es ist vorstellbar, dass in der Zukunft eine autonome Mikro­maschine durch menschliche Blutgefäße navigiert un­d biomedi­zinische Aufgaben wie das Abtöten von Krebs­zellen übernimmt“, erklärt Bradley Nelson, Leiter des Departments Maschinenbau und Verfahrens­technik der ETH Zürich.

„Andere Einsatz­gebiete sind denkbar, zum Beispiel flexible Mikro­elektronik oder Mikrolinsen, die ihre optischen Eigen­schaften verändern“, sagt Tian-Yun Huang, Forscher am Institut für Robotik und Intelli­gente Systeme der ETH Zürich. Darüber hinaus sind Anwendungen möglich, bei denen sich die Eigen­arten von Oberflächen verändern. „Beispielsweise könnten damit Oberflächen geschaffen werden, die je nach Bedarf entweder von Wasser benetzt werden oder Wasser abweisen“, sagt Jizhai Cui, Ingenieur und Forscher im PSI-Labor für Meso­skopische Systeme.

PSI / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Cui et al.: Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines, Nature 575, 164 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-1713-2
• Labor für Mesoskopische Systeme, Paul Scherrer Institut PSI, Villigen