28.04.2022

Mikroroboter im Schwarm

Kollektives Verhalten ergibt sich aus den Interaktionen einzelner Roboter.

Forschenden des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS), der Cornell University und der Shanghai Jiao Tong University ist es gelungen, Mikro­roboter zu entwickelt, die sich als Kollektiv in jeder beliebigen Formation bewegen können. Die Partikel sind in der Lage, ihre Bewegungs­muster schnell neu zu rekon­figurieren. Auf einer Wasser­oberfläche schwimmend können sich die Miniatur­roboter im Kreis drehen, den Boogie tanzen, sich zu einem Klumpen zusammen­ballen, sich wie Gas ausbreiten oder eine gerade Linie bilden wie aneinander gereihte Perlen auf einer Schnur. 

Abb.: Mikroroboter-Kollektive zeigen vielseitige Schwarm-Bewegungsmuster....
Abb.: Mikroroboter-Kollektive zeigen vielseitige Schwarm-Bewegungsmuster. (Bild: MPI-IS)

Ein einzelner Roboter ist etwas größer als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Sie werden aus einem Polymer in 3D gedruckt und mit einer dünnen Kobalt­schicht überzogen. Dank des Metalls sind die Mikro­roboter magnetisch geladen. Drahtspulen, durch die Strom hindurchfließt und auf diese Weise ein Magnet­feld erzeugen, umgeben den Versuchs­aufbau. Das Magnetfeld ermöglicht es, die Teilchen in einem ein Zentimeter breiten Wasser­becken präzise zu steuern. Wenn die Mikro­roboter zum Beispiel eine Linie bilden, können die Forschenden die Roboter so bewegen, dass sie Buchstaben ins Wasser schreiben. Am Forschungs­projekt waren neben Gaurav Gardi und Metin Sitti, Steven Ceron und Kirstin Petersen von der Cornell University und Wendong Wang von der Shanghai Jiao Tong University beteiligt. 

Kollektives Verhalten und Schwarm-Bewegungs­muster sind überall in der Natur zu finden. Ein Vogelschwarm zeigt dieses Verhalten ebenso wie Fische. Auch Roboter können so programmiert werden, dass sie in Schwärmen agieren – und machen dabei sogar prominent von sich reden. Ein Technologie­unternehmen stellte vor einigen Jahren mit einer Drohnen-Lichtshow einen neuen Guinness-Weltrekord auf, indem Ingenieure mehrere hundert Drohnen so programmierten, dass die Fluggeräte wie ein Vogelschwarm minutenlang ein beein­druckendes Muster in den Nachthimmel zeichneten. Jede Drohne in diesem Schwarm war mit Rechen­leistung ausgestattet, die sie in alle mögliche Richtungen steuerte. Was aber, wenn das einzelne Teilchen so winzig ist, dass für Rechen­leistung kein Platz ist? Wenn ein Roboter gerade mal 300 Mikrometer klein ist, bietet dieser nicht genügend Platz für einen Rechner, dem man einen Algorithmus einpro­grammieren könnte.

Drei unter­schiedliche Kräfte sind im Spiel, um den Mangel an Rechenleistung auszugleichen. Eine ist die magnetische Kraft. Die zweite Kraft ist die flüssige Umgebung, das Wasser um die Partikel herum. Wenn Teilchen in einem Wasser­strudel schwimmen, verdrängen sie Wasser und beeinflussen so die anderen Teilchen im System. Die Geschwin­digkeit des Strudels und seine Größe bestimmen, wie die Teilchen interagieren. Drittens: Wenn zwei Teilchen neben­einander schwimmen, neigen sie dazu, aufeinander zuzudriften. Sie krümmen die Wasser­oberfläche so, dass sie sich langsam annähern. Wissenschaftler nennen dies den Cheerio-Effekt: Wenn man zwei der Cerealien auf Milch treiben lässt, stoßen sie irgendwann zusammen. Umgekehrt kann dieser Effekt auch dazu führen, dass sich zwei Dinge gegenseitig abstoßen.

Die Wissenschaftler nutzen alle drei Kräfte, um ein koor­diniertes, kollektives Bewegungs­muster von mehreren Dutzend Mikrorobotern innerhalb eines System zu erzeugen. Dabei nimmt die Gruppe die Formation an, die am besten passt. Gibt es nur einen schmalen Durchgang, reihen sich die Mikro­roboter hintereinander auf, um sich dann wieder auszubreiten, wenn sie herauskommen. Die Wissen­schaftler können die Roboter auch tanzen lassen. Außerdem zeigen sie, wie sie eine winzige Plastikkugel in den Wasserbehälter legen und dann die Roboter zu einem Bündel zusammenziehen, um die schwimmende Kugel vor sich herzuschieben. Sie können die winzigen Teilchen auch in zwei Zahnrädern platzieren und die Teilchen so bewegen, dass sie beide Zahnräder zum Drehen bringen. Auch ein geordnetes Muster ist möglich, bei dem jedes Teilchen den gleichen Abstand zu seinem Nachbarn einhält. All diese verschiedenen Fort­bewegungsarten und Forma­tionen werden durch externe Rechenleistung ermöglicht: Ein Algorithmus wird programmiert, der ein rotierendes oder oszillierendes Magnetfeld erzeugt, das wiederum die gewünschte Bewegung und Rekon­figurierung auslöst.

„Je nachdem, wie wir die Magnetfelder verändern, verhalten sich die Mikroroboter anders. Wir verändern eine Kraft und dann eine andere, bis wir das gewünschte Bewegungs­muster erhalten. Wenn wir das Magnetfeld in den Spulen zu stark drehen, ist die Kraft, die das Wasser in Bewegung setzt, zu stark und die Partikel entfernen sich voneinander. Sind wir zu langsam, ist der Cheerio-Effekt, der die Teilchen anzieht, zu groß. Wir müssen ein Gleich­gewicht zwischen diesen drei Faktoren finden“, erklärt Doktorand Gaurav Gardi. Das Zukunfts­szenario für solche Mikroroboter-Kollektive ist, noch kleiner zu werden. „Unsere Vision ist es, ein System zu entwickeln, das noch winziger ist. Wir wollen die Partikel bald nur einen Mikrometer klein bauen. Diese Kollektive könnten möglicher­weise eines Tages in den menschlichen Körper eindringen und durch komplexe Umgebungen navigieren, um zum Beispiel Medikamente zu verabreichen, Blockaden zu lösen oder schwer zugängliche Bereiche zu stimulieren“, erklärt Gardi. 

„Roboter-Kollektive, die schnell zwischen verschiedenen Bewegungs­mustern wechseln können, sind sehr selten. Solch versatile Systeme sind sehr von Vorteil, wenn sie in komplexen Umgebungen eingesetzt werden. Wir freuen uns, dass es uns gelungen ist, dieses vielseitige und robuste Mikro­roboter-System zu entwickeln. Wir sehen unsere Forschung als eine Blaupause für künftige biomedi­zinische Anwendungen, minimal­invasive Behandlungen oder um die Umwelt zu schützen“, fügt Metin Sitti hinzu.

MPI-IS / JOL

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