Schwimmende Miniroboter als Drogenkuriere

Millimetergroße „Aquabots“ aus Polymeren bringen Wirkstoffe an den Bestimmungsort.

Roboter, die sich eigenständig bewegen, ihre Umwelt wahrnehmen und verändern können, übernehmen schon heute wichtige Aufgaben z. B. in der industriellen Fertigung. Auch für mikro- oder millimetergroße Roboter gäbe es viele Anwendungen, etwa in der Medizin oder im Umweltschutz. Doch bislang erwies sich die Herstellung von Miniroboter als zu kompliziert und zu teuer, obwohl geeignete Komponenten wie mikroelektromechanische Systeme (MEMS) oder elektroaktive Polymere vorhanden sind. Jetzt haben US-amerikanische und koreanische Forscher winzige schwimmende Roboter entwickelt, die zahlreiche Aufgaben übernehmen können.

Abb.: Bewegung eines Aquabot Oktopus ausgelöst durch ein elektrisches Feld. (Bild: Small, Wiley-VCH)

In ihrer Form und Fortbewegungsweise lehnen sich diese millimetergroßen „Aquabots“ an biologische Vorbilder an: Sie erinnern an einen Oktopus, ein Spermium oder einen Tausendfüßler. Dabei sind sie sehr einfach aufgebaut und bestehen aus Polymeren mit unterschiedlichen Funktionalitäten. Die für die Fortbewegung eines Aquabots zuständigen Teile – die Beinchen des Oktopus und des Tausendfüßlers sowie die Geißel des Spermiums – bestanden aus einem elektroaktiven Hydrogel. Wurde ein Streifen dieses Gels im Wasser einer elektrischen Spannung ausgesetzt, so krümmte er sich je nach Polarität in unterschiedliche Richtungen. Mit einer geeigneten Wechselspannung konnte man erreichen, dass sich die Beinchen oder die Geißel hin und her bewegten und den Aquabot vorantrieben. Dabei erreichte der künstliche Oktopus Geschwindigkeiten von bis zu 5 mm/s.

Der Kopf eines Aquabots konnte je nach verwendetem Material unterschiedliche Funktionen erfüllen. Dazu stellten ihn die Forscher aus Polymeren her, die empfindlich auf Änderungen der Temperatur, des pH-Wertes oder der chemischen Zusammensetzung des Wassers reagierten. In einem Experiment erhielt der Oktopus ein glukoseempfindliches „Auge“, das dann zu fluoreszieren begann, wenn im Wasser Zucker gelöst war. In einem anderen Fall bestand der Kopf aus einem Polymer, das einen Wirkstoff enthielt und zudem von einem Enzym aufgelöst werden konnte. Wurde der Oktopus diesem Enzym ausgesetzt, so gab er den Wirkstoff ab.

Ein anderer Aquabot war mit winzigen Greifarmen ausgerüstet, die in saurem Milieu (pH=3) schrumpften, hingegen in basischem Milieu (pH=10) aufquollen und einen Hohlraum umschlossen. Da der Miniroboter zusätzlich Nickelteilchen enthielt, konnte er mit Magnetfeldern zu einem Zielobjekt gesteuert werden, um es in seinen Hohlraum aufzunehmen. War seine Umgebung hinreichend basisch, so schloss sich der Hohlraum und das Zielobjekt konnte abtransportiert und an anderer Stelle wieder abgegeben werden. Diese Aufgaben konnte auch ein temperaturempfindlicher Aquabot erfüllen, dessen Greifarme bei tiefen Temperaturen (ca. 20 °C) aufquollen und sich bei hohen Temperaturen (ca. 45 °C) zusammenzogen.

Die Forscher stellten ihre Roboter durch Photopolymerisation her. Sie bestrahlten dünne Schichten geeigneter flüssiger Präpolymers, die sich in Mikrofluidkammern befanden, durch eine Photomaske mit UV-Licht. Auf diese Weise ist es möglich, noch viel kleinere Roboter herzustellen. Allerdings hat für mikrometergroße Aquabots das Wasser eine sehr kleine Reynolds-Zahl und es erscheint ihnen zäher als Sirup, sodass sie ihre Fortbewegungsweise ändern müssten. Die vielseitigen Aquabots könnten in der Medizin eingesetzt werden, sowohl in der Diagnose zum Nachweis von Krankheitserregern als auch in der Therapie zum Einsatz von Wirkstoffen. Auch im Umweltschutz könnten sie sich nützlich machen, indem sie auf das Auftreten von Schadstoffen reagieren.

RAINER SCHARF


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Gu Han Kwon et al.: Biomimetic Soft Multifunctional Miniature Aquabots. small (online 6.11.2008)
  http://dx.doi.org/10.1002/smll.200800315
• Gruppe von David J. Beebe an der University of Wisconsin-Madison:
  http://mmb.bme.wisc.edu/
  

Weitere Literatur:

• Rémi Dreyfus et al.: Microscopic artificial swimmers. Nature 437, 862 (2005)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04090
  http://www.lcn.espci.fr/pdfs/dreyfus2005a.pdf (frei!)
• E. M. Purcell: Life at low Reynolds number. Am. J. of Phys. 45, 3 (1977)
  http://dx.doi.org/10.1119/1.10903
  http://biology.unc.edu/courses/2008Spring/Biol642/papers/purcell.pdf (frei!)
• Edward M. Purcell: The efficiency of propulsion by a rotating flagellum. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 11307 (1997)
  http://www.pnas.org/content/94/21/11307.abstract (frei!)

GWF