Ein neu entwickelter Mikroroboter hat die Fähigkeit, monatelang autonom in Flüssigkeiten zu agieren, während seine Produktionskosten äußerst gering sind. Ein Team von Wissenschaftlern der University of Pennsylvania und der University of Michigan hat diesen innovativen Roboter kreiert, der lediglich 200 µm x 300 µm x 50 µm misst. Trotz seiner geringen Größe kann er selbstständig seine Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren.

Technische Merkmale und Funktionsweise

Der Mikroroboter wird von winzigen Solarzellen betrieben und verwendet einen Ionenantrieb für seine Fortbewegung im Wasser. In ihrer Veröffentlichung „Microscopic robots that sense, think, act, and compute“, die in Science Robotics erschien, beschreiben die Forscher die technischen Details des Roboters. Zentraler Bestandteil ist ein Mikrocomputer, der von David Blaauw, einem Professor der University of Michigan, entwickelt wurde und als der kleinste Computer der Welt gilt.

Herausforderungen bei der Entwicklung

Die Integration des Mikrocomputers in den Roboter stellte eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die autarke Stromversorgung war eine entscheidende Hürde. Die eingesetzten Solarzellen erzeugen lediglich 75 Nanowatt Leistung, was mehr als 100.000-mal weniger ist als der Bedarf einer Smartwatch. Um diesen geringen Energiebedarf zu decken, mussten die Wissenschaftler die Schaltkreise des Mikrocomputers umgestalten, sodass er bei extrem niedrigen Spannungen betrieben werden kann.

Zusätzlich beanspruchen die Solarzellen den Großteil des Platzes im Roboter, wodurch nur begrenzter Raum für den Prozessor und den Speicher bleibt. Um den beschränkten Speicherplatz optimal zu nutzen, mussten die Forscher die Programmieranweisungen komprimieren. Laut Blaauw erforderte dies eine grundlegende Neukonzeption der Programmierung, bei der standardmäßige Anweisungen für die Antriebssteuerung auf eine einzige spezielle Anweisung reduziert wurden.

Kommunikation und Sensortechnologie

Die Programmierung des Roboters erfolgt durch Lichtimpulse, wobei jeder Roboter eine individuelle Adresse besitzt. Dies ermöglicht die Programmierung für verschiedene Aufgaben, die im Schwarm zusammenarbeiten können, um gemeinsame Ergebnisse zu erzielen. Dabei kommen Temperatursensoren zum Einsatz, die die Umgebungstemperatur mit einer Genauigkeit von bis zu einem Drittel Grad messen können. Der Roboter vermag es, Temperaturänderungen zu erkennen und sich entsprechend zu bewegen, was eine Überwachung der Zellgesundheit ermöglicht.

Um die Temperatur zu melden, führt der Roboter Bewegungen aus, die die Temperatur kodifizieren. Die Forscher können diese Informationen unter einem Mikroskop entschlüsseln, wobei diese Art der Kommunikation Parallelen zur Kommunikation von Honigbienen aufweist, die durch Tänze Informationen an Artgenossen weitergeben.

Antriebsmechanismus ohne mechanische Bauteile

Für die Fortbewegung des Roboters in Flüssigkeiten wurde ein spezieller Antrieb entwickelt. Die Größe des Roboters macht ihn anfällig für externe Kräfte wie Schwerkraft und Trägheit, die im Mikrometerbereich eine große Rolle spielen. Statt mechanische Antriebe zu verwenden, entschieden sich die Forscher für einen Ionenantrieb, der ohne mechanische Teile auskommt. Ein elektrisches Feld wird erzeugt, das Ionen in die umliegende Flüssigkeit abgibt. Dadurch werden nahegelegene Flüssigkeitsmoleküle in Bewegung versetzt.

Die Anpassungen des elektrischen Feldes ermöglichen dem Roboter, sich in komplexen Mustern mit Geschwindigkeiten von bis zu einer Körperlänge pro Sekunde zu bewegen. Außerdem ist das Antriebssystem robust, da es keine beweglichen Teile enthält. Mikroroboter dieser Art können problemlos von einer biologischen Probe zur anderen transferiert werden, ohne dabei beschädigt zu werden.

Langfristige Autonomie und Produktionskosten

Dank der Solarzellen kann der Roboter mehrere Monate lang in einer Flüssigkeit überleben, vorausgesetzt, er erhält ausreichendes Licht. Eine LED-Beleuchtung versorgt ihn mit der notwendigen Energie. Der Roboter funktioniert unabhängig von externen Magnetfeldern, Licht oder Funk. Die Kombination aus Mikrocomputer, Ionenantrieb und Solarzellen verleiht ihm vollständig autarkes Verhalten. Die Entwicklungszeit des Mikroroboters betrug insgesamt fünf Jahre.

Ausblick auf die Zukunft

„Das ist wirklich nur das erste Kapitel“, erklärt Miskin. „Wir haben bewiesen, dass es möglich ist, ein Gehirn, einen Sensor und einen Motor in ein so kleines Gerät zu integrieren, das monatelang überleben und funktionieren kann. Auf dieser Grundlage können wir vielfältige Intelligenzen und Funktionen in den Roboter integrieren. Dies eröffnet völlig neue Perspektiven für die Mikrorobotik.“

Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass zukünftige Mikroroboter noch leistungsfähiger werden können, anspruchsvollere Programme ausführen und neue Sensoren integrieren, um sich in komplexeren Umgebungen schneller zu bewegen. Die gegenwärtige Plattform zeigt auf, dass dies zu geringen Produktionskosten realisierbar ist: Der aktuelle Mikroroboter kann für nur einen US-Cent hergestellt werden.