Mikromaschinen: Wie das nächste große Ding in der Robotik eigentlich ganz klein ist

Ein halbes Jahrhundert, nachdem Neil Armstrong die denkwürdigen Worte „ein riesiger Sprung für die Menschheit“ aussprach, ist die technologische Innovation kleiner geworden. Ja, wir begeistern uns immer noch für riesige, himmelhohe Gebäude und die der Schwerkraft trotzende Kraft von Raketen, aber Viele der größten Fortschritte finden in einem Ausmaß statt, das im Vergleich zu denen von unvorstellbar winzig ist gestern. Neue Generationen mobiler Geräte – seien es Laptops, Smartphones oder Smartwatches – sparen im Vergleich zu ihren bereits dünnen Vorgängern nur wenige Millimeter an Dicke ein; Dadurch werden bereits kleine und tragbare Geräte noch kleiner und tragbarer. Die CRISPR/cas9-Technologie ermöglicht es Wissenschaftlern, einzelne Gene zu bearbeiten; Dadurch könnten möglicherweise tödliche Krankheiten ausgerottet werden. Neue Prozesse im Nanometerbereich ermöglichen es Chipdesignern, immer mehr Transistoren auf die Oberfläche integrierter Schaltkreise zu pressen; Dabei verdoppelt sich die Rechenleistung alle 12–18 Monate.

Die Welt der Robotik ist nicht anders. Denken Sie, dass Roboter wie Boston Dynamics‘ Von Hunden inspirierter Spot-Roboter oder humanoider Atlas-Roboter stehen ganz oben auf dem Innovationsstapel, einfach weil sie am sichtbarsten sind? Nicht so schnell! Am kleineren Ende des Spektrums sind die Fortschritte vielleicht nicht ganz so offensichtlich – aber in ihrem Ausmaß könnten sie sogar noch aufregender sein.

Willkommen in der Welt der Mikroroboter, einem Genre der Robotik, das weniger Aufmerksamkeit erregt als seine metallischen großen Brüder und Schwestern, aber möglicherweise genauso transformativ ist. Diese Roboter könnten für ein breites Anwendungsspektrum nützlich sein, von der Durchführung chirurgischer Eingriffe im Mikro- oder Nanomaßstab bis hin zur Erkundung anderer Planeten.

Beispiele gibt es überall

Demonstrationen dieser Technologie in Aktion gibt es überall. Kürzlich haben Forscher der University of Southern California eine gebaut fliegender, von Insekten inspirierter Roboter das nur 95 Milligramm wiegt und kleiner als ein Penny ist.

Mittlerweile haben es beispielsweise auch Ingenieure am deutschen Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme getan baute ein kleines lenkbares Auto. Das hört sich nicht besonders ungewöhnlich an, bis man hört, dass es sich bei dem betreffenden Auto nicht um einen Kleinwagen handelt wie ein Chevrolet Spark oder ein Ford Fiesta, sondern eher ein autoförmiger Roboter mit einer Größe von nur 40 bis 50 Mikrometern Größe. Das ist etwa die Hälfte des Durchmessers eines einzelnen menschlichen Haares. Das Labor hat eine Reihe solcher selbstorganisierender mobiler Mikromaschinen gebaut, die so programmiert werden können, dass sie sich je nach den Anforderungen in einer Vielzahl unterschiedlicher Formationen zusammensetzen. Und das ist nicht alles.

„Unser Team hat [eine Reihe] neuer synthetischer und biohybrider Mikroroboter vorgeschlagen.“ Dr. Metin Sitti, Direktor der Abteilung für physikalische Intelligenz des Max-Planck-Instituts, sagte gegenüber Digital Trends. „Als synthetische Kleinroboter haben wir verschiedene drahtlose, mobile Roboter mit weicher, formprogrammierbarer Funktion und mehreren Fortbewegungs- und multifunktionalen Betriebsfähigkeiten demonstriert. Solche weichen, winzigen Roboter wurden von weichen Kleintieren wie Quallen, Raupen, Warmen, Spermatozoiden und Käferlarven inspiriert. Als Bio-Hybrid-Mikroroboter haben wir [auch] bakterien- und algenbetriebene Mikroschwimmer für die Abgabe der angehängten Substanzen vorgeschlagen Fracht in Zielregionen, während sie die Mikroumgebung wahrnehmen, beispielsweise chemische oder Sauerstoffgradienten, pH-Änderungen usw Licht."

Das Wort „sie“ im Plural wird häufig verwendet, wenn über Mikrobots gesprochen wird. Wir könnten darüber nachdenken, mehrere große Roboter zusammenarbeiten zu lassen, aber wahrscheinlich werden es nur wenige sein, die zusammenarbeiten. Um Green Days „Boulevard of Broken Dreams“ zu paraphrasieren: Roboter dieser Größenordnung sind so konzipiert, dass sie alleine gehen (oder rollen, kriechen, schwimmen oder springen). Am kleineren Ende des Spektrums ist das nicht der Fall.

„Bei herkömmlichen Robotern müssen die Roboter hochentwickelt sein und in der Lage sein, komplexe Aufgaben normalerweise selbst auszuführen“, sagte Dea Gyu Kim, ein Doktorand, der an der Georgia Tech an Mikrorobotern arbeitet. „Mit Mikrorobotern können sie jedoch kostengünstiger und einfacher sein. Anstatt sich darauf zu verlassen, dass ein einzelner Roboter eine bestimmte komplexe Aktion ausführt, kann eine große Gruppe von ihnen auf unterschiedliche Weise interagieren, um verschiedene Aktionen auszuführen.“

Die Roboter, an denen Kim gearbeitet hat, sind nur wenige Millimeter lang, etwa so groß wie eine Ameise. (Obwohl das Team in Zukunft hofft, es noch kleiner zu machen.) Genannt „Borstenbots„Die 3D-gedruckten Kreationen laufen auf vier oder sechs borstenartigen Beinen. Dank eines piezoelektrischen Aktors aus Bleizirkonat-Titanat auf ihrer Rückseite können sie durch winzige Vibrationen gesteuert werden.

Wie werden wir sie nutzen?

„Die idealste reale Anwendung [für diese Roboter] besteht für mich darin, eine große Gruppe von Borstenrobotern einzusetzen, um schwer zugängliche Bereiche zu erreichen, wie z Risse in großen Infrastrukturen oder kleine Lücken in komplexen Maschinen, in die weder Menschen noch typische Roboter gehen und Untersuchungen durchführen können“, sagt Kim Fortsetzung. „[Sie könnten funktionieren, indem sie] das Futtersuchverhalten von Insekten nachahmen und interessante Daten zurücksenden.“

Metin Sitti glaubt unterdessen, dass diese winzigen Roboter im medizinischen Bereich am nützlichsten sein werden. „Ich glaube, dass die größten wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Auswirkungen der mobilen Mikrorobotik im Gesundheitswesen liegen würden Drahtlose Mikroroboter können auf noch nie dagewesene oder schwer zugängliche Bereiche im menschlichen Körper zugreifen“, sagt Sitti Fortsetzung. „[Das könnte nützlich sein] für die nicht-invasive oder minimal-invasive medizinische Diagnose und Behandlung für kurze oder lange Zeiträume. Daher hat sich meine Gruppe darauf konzentriert, unsere neuen Mikroroboter für verschiedene medizinische Anwendungen einzusetzen, wie zum Beispiel gezielte Krebstherapie, Embolisation, Öffnung von Blutgerinnseln, Biopsie und Mikrochirurgie.“

Es gibt noch viele weitere Ideen, woher diese beiden kamen. Von kontinuierlichen Bildgebungsagenten über Mikroteams von Robotern, die Objekte bewegen können, die viel größer sind als sie selbst, bis hin zu magnetgesteuerten Mikrorobotern, die sie entfernen können Schwermetalle aus verunreinigtem Wassergibt es nur wenige Bereiche, in denen sich Mikroroboter nicht in gewisser Weise als nützlich erweisen könnten. Da Forscher zunehmend bewiesen haben, dass sie in der Lage sind, sich über eine Vielzahl von Terrains zu bewegen, die von tückischen Steigungen bis hin zum Schwimmen durch Körperflüssigkeiten reichen, werden sie nur noch nützlicher.

Natürlich gibt es immer noch Engpässe. Dazu gehört, wie bei größeren Robotern, die Herausforderung, Roboter anzutreiben, ohne sie anbinden zu müssen, sie agiler zu machen und sie einfacher in Massenproduktion herzustellen. Bei medizinischen Anwendungen muss zudem ihre Sicherheit nachgewiesen werden, bevor sie eingesetzt werden können Fantastische Reise-artige Missionen durch den menschlichen Körper. Aber diese Herausforderungen werden von einer ständig wachsenden Zahl von Forschern auf der ganzen Welt bearbeitet, verfeinert und in vielen Fällen gelöst.

Wie der Physiker Richard Feynman einmal über das Gebiet der Nanotechnologie, dem kleineren Verwandten der Mikrorobotik, sagte: „Dort unten ist viel platz.“ Aber das liegt sicher nicht an Desinteresse!

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