Autonome Mikroroboter arbeiten erstmals eigenständig im Submillimeterbereich. Dies wird durch neue Ansätze in den Bereichen Bewegung, Energie und Steuerung ermöglicht.

Seit fast vier Jahrzehnten stößt die Robotik an die gleiche Grenze. Maschinen werden immer kleiner, verlieren jedoch unterhalb eines Millimeters ihre Selbstständigkeit. Für Messungen, Steuerungen und Entscheidungen sind externe Techniken erforderlich – von Laboraufbauten bis hin zu Steuerrechnern. Dies war ein zentrales Hindernis, insbesondere für medizinische und biologische Anwendungen.

Forscher der University of Pennsylvania und der University of Michigan haben diese Grenze nun überwunden. Sie entwickelten autonome Mikroroboter, die kleiner sind als ein Salzkorn, die eigenständig ihre Umgebung wahrnehmen, einfache Entscheidungen treffen und ihr Verhalten anpassen können. Der entscheidende Fortschritt liegt nicht in einer höheren Rechenleistung, sondern in einem neuen Verständnis von Bewegung, Energie und Steuerung im Mikromaßstab, so die Studie.

Die Herausforderungen autonomer Mikroroboter

Beinahe vier Jahrzehnte blieb die Robotik an dieser Hürde festgefahren. Sensoren und Schaltkreise wurden kontinuierlich kleiner, doch autonome Roboter mit Rechenlogik, Speicher und eigenem Antrieb blieben größer als ein Millimeter. Frühere Mikroroboter benötigten Magnetfelder, Ultraschall oder aufwendige Laboraufbauten, um Entscheidungen außerhalb des Roboters zu treffen.

Die neuen Modelle verfolgen jedoch einen anderen Weg. Sie verzichten auf bewegliche Teile. Stattdessen erzeugen sie elektrische Felder, die geladene Teilchen im Wasser bewegen. Die dadurch entstehenden Strömungen treiben den Roboter an, was das Prinzip robust macht und optimal zu einer zellgroßen Welt passt.

Innovative Bewegungstechnik

Die Fortbewegung der Roboter ähnelt keiner bekannten Maschinentypologie. Elektroden am Körper schaffen ein elektrisches Feld, woraufhin Ionen Wasser mitziehen. Der Roboter schwimmt mit der Strömung. Durch gezieltes Umschalten der Felder können Drehungen, Bögen oder Geradeausbewegungen erzeugt werden. Mit einer Geschwindigkeit von wenigen Mikrometern pro Sekunde sind präzise Manöver realisierbar.

Ein Vorteil dieser Konstruktion ist, dass die Elektroden keine beweglichen Teile haben, was die Haltbarkeit erheblich steigert. Die Roboter halten monatelangen Betrieb in Flüssigkeiten aus und können mit einer Pipette bewegt werden, ohne Schaden zu nehmen. Dies ist entscheidend für Laborversuche.

Technologische Fortschritte in der Mikrofertigung

Erstmals ist in einem so kleinen Roboter ein vollständiger Rechner integriert. Prozessor, Speicher, Sensoren und Energieversorgung sind auf einem einzigen Chip untergebracht. Die Energieversorgung erfolgt durch winzige Solarzellen, und eine einfache LED ist ausreichend, um den Roboter zu betreiben und zu programmieren.

Der Stromverbrauch beträgt rund 100 Nanowatt, zum Vergleich: Eine Smartwatch benötigt mehr als hunderttausendmal so viel Leistung. Dies wird durch sehr einfache Schaltkreise und extrem niedrige Betriebsspannungen möglich.

Datenmessung und Reaktion ohne Funk

Die Roboter verfügen über Temperatursensoren mit einer Auflösung von etwa 0,3 Grad Celsius, was ausreicht, um Veränderungen auf Zellebene zu erfassen. Messwerte lassen sich speichern, vergleichen und zur Anpassung des Verhaltens nutzen.

Die Roboter kommunizieren nicht über Funk. Stattdessen übertragen sie Informationen durch Bewegung. Bestimmte Muster kodieren Zahlen, die von einer Kamera erfasst werden. Die Forscher vergleichen dieses Prinzip mit dem Schwänzeltanz von Honigbienen.

Programmierung durch Lichtsignale

Jeder Roboter erhält seine Anweisungen durch Lichtsignale. Kurze Impulse schreiben Programme direkt in den Speicher. Jeder Chip hat eine eigene Adresse, was eine gezielte Steuerung von Gruppen erlaubt. Während ein Roboter misst, bewegt sich ein anderer, und ein dritter sendet die Daten zurück.

„Wir haben autonome Roboter 10.000-mal kleiner gemacht“, erklärt Projektleiter Marc Miskin. „Das eröffnet eine völlig neue Größenordnung für programmierbare Maschinen.“ Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Team um David Blaauw, bekannt für besonders stromsparende Minicomputer.

Zukunftsperspektiven der autonomen Mikroroboter

Autonome Mikroroboter sind für Umgebungen konzipiert, die für klassische Technik schwer zugänglich sind. Aufgrund ihrer Größe bewegen sie sich durch enge Kanäle, Mikroreaktoren oder Zellkulturen. Dort können sie Temperaturverläufe erfassen, ohne das Gewebe zu berühren, und Veränderungen direkt vor Ort registrieren.

Auch für gezielte Therapien ergeben sich neue Möglichkeiten, da Wirkstoffe lokal freigesetzt werden könnten, ausgelöst durch Messwerte im unmittelbaren Umfeld. In der Mikrofertigung könnten Schwärme winziger Maschinen Bauteile prüfen oder Abläufe überwachen. Da die Roboter programmierbar bleiben, lassen sich ihre Aufgaben sogar nach der Herstellung anpassen.

Ein Fundament für zukünftige Entwicklungen

Die aktuellen Programme sind zwar noch einfach; der Speicher umfasst lediglich einige Hundert Bits. Die Architektur erlaubt jedoch eine Erweiterung. Neuere Fertigungsprozesse könnten den Speicher erheblich vergrößern, wobei auch höhere Geschwindigkeiten durch optimierte Schaltkreise möglich wären.

„Das ist erst der Anfang“, sagt Miskin. „Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, Gehirn, Sensor und Antrieb in etwas zu integrieren, das fast unsichtbar ist – und monatelang funktioniert.“

• Autonome Mikroroboter hatten jahrzehntelang Schwierigkeiten mit den physikalischen Gegebenheiten im Mikromaßstab, insbesondere mit Reibung und Viskosität.
• Erst der Strategiewechsel brachte den Durchbruch: Unbewegliche Teile wurden durch elektrische Strömungen ersetzt und die Roboter haben nun Rechenleistung, Sensoren und Speicher an Bord, bei extrem niedrigem Energieverbrauch.
• Roboter dieser Größe können erstmals autonom arbeiten, ihre Umgebung messen, Entscheidungen treffen und Daten übermitteln – eine wichtige Grundlage für Anwendungen in Medizin, Biologie und Mikrofertigung.