Auf dem Weg zu intelligenten Mikrorobotern

Der nur wenige Mikrometer messende Roboter erinnert an einen mithilfe der japanischen Faltkunst hergestellten Papiervogel. Doch anders als ein Papiergebilde bewegt sich der Roboter wie von Geisterhand, 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.

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich 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.

Nanomagnete programmieren

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 Forschenden 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 am PSI und Professorin an der ETH Zürich.

«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.

Intelligente Mikroroboter

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 Labor für Mesoskopische Systeme von Laura Heyderman am PSI.

Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden nun im Wissenschaftsmagazin Nature.

Text: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi

Prof. Laura Heyderman
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 26 13, E-Mail: laura.heyderman@psi.ch [Englisch, Deutsch, Französisch]

Prof. Bradley J. Nelson
Institut für Robotik und Intelligente Systeme
ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
Telefon: +41 44 632 55 29, E-Mail: bnelson@ethz.ch [Englisch]

Dr. Jizhai Cui
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 34 33, E-Mail: jizhai.cui@psi.ch [Englisch, Chinesisch]

Dr. Tian-Yun Huang
Institut für Robotik und Intelligente Systeme
ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
Telefon: +41 44 632 02 96, E-Mail: huangt@ethz.ch [Englisch, Chinesisch]

Nanomagnetic Encoding of Shape-morphing Micromachines
Jizhai Cui, Tian-Yun Huang, Zhaochu Luo, Paolo Testa, Hongri Gu, Xiang-Zhong Chen, Bradley J. Nelson, Laura J. Heyderman
Nature, 06.11.2019
DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1713-2