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Mikro-Roboter

Winziger Roboter fliegt im Magnetfeld

| Redakteur: Lilli Bähr

Forscher der ETH Zürich und des Paul-Scherrer-Instituts PSI haben einen Mikro-Roboter in Form eines Vogels entwickelt, der dank magnetisch programmierter Nanomagnete in einem Magnetfeld verschiedene Manöver „fliegen“ kann.

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Laura Heyderman (links) und Tian-Yun Huang (Mitte) betrachten ein Modell des Origami-Vogels, während Jizhai Cui den echten Mikroroboter unter einem Mikroskop beobachtet. Was er dort sehen kann, zeigt das Video, das die Forschenden gemacht haben.
Laura Heyderman (links) und Tian-Yun Huang (Mitte) betrachten ein Modell des Origami-Vogels, während Jizhai Cui den echten Mikroroboter unter einem Mikroskop beobachtet. Was er dort sehen kann, zeigt das Video, das die Forschenden gemacht haben.
(Bild: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Nur wenige Mikrometer misst der Roboter, den Forscher der ETH Zürich und des Paul-Scherrer-Instituts PSI entwickelt haben. Die Mikromaschine erinnert an einen mithilfe der japanischen Faltkunst Origami hergestellten Papiervogel. Doch anders als der Origamivogel bewegt sich dieser Roboter, ohne dass eine sichtbare Kraft auf ihn einwirkt. Er schlägt mit den Flügeln, krümmt seinen Hals und zieht seinen Kopf ein. Möglich sind diese Aktionen durch Magnetismus.

Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt das vogelartige Konstrukt mit Anordnungen von nanoskaligen Magneten. Die Magnete können in verschiedenen Ausrichtungen parallel zu den Farbbalken magnetisiert werden. Zum Größenvergleich: Der weiße Balken misst 15 Mikrometer.
Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt das vogelartige Konstrukt mit Anordnungen von nanoskaligen Magneten. Die Magnete können in verschiedenen Ausrichtungen parallel zu den Farbbalken magnetisiert werden. Zum Größenvergleich: Der weiße Balken misst 15 Mikrometer.
(Bild: Paul Scherrer Institut / ETH Zürich)

Die Forscher haben die Mikromaschine unter anderem aus Materialien zusammengesetzt, die kleine Nanomagnete enthalten. Unter der Leitung von Laura Heyderman, die das gemeinsame Institut für Mesoskopische Systeme führt, haben die Wissenschaftler diese Nanomagnete so programmiert, 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 den flexiblen Bauteilen des Mikrovogels, dann führen die auf sie wirkenden Kräfte zu einer Bewegung. Die Nanomagnete lassen sich immer wieder neu programmieren. Das führt zu jeweils unterschiedlichen Kräften, die auf die Konstruktion wirken, und neuen Bewegungen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden soeben im Wissenschaftsmagazin „Nature“.

Verschiedene Bewegungen mit Nanomagneten programmieren

Für den Bau des Mikro-Roboters platzierten die Forscher 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 Mikro-Roboters spielen sich im Bereich von Millisekunden ab“, sagt Heyderman. „Das Programmieren der Nanomagnete geschieht dagegen innerhalb weniger Nanosekunden.“ Das ermöglicht es, 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.

Das folgende Video zeigt die Bewegungen des Mikro-Roboters:

Auf dem Weg zu autonomen Mikro- und Nanorobotern

Dieses neuartige Konzept ist ein 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 Instituts für Robotik und Intelligente Systeme der ETH Zürich, dessen Labor Know-how beisteuerte. Denkbar seien auch Einsatzgebiete wie flexible Mikroelektronik oder Mikrolinsen, die ihre optischen Eigenschaften verändern.

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 können oder Wasser abweisen“, sagt Jizhai Cui, Ingenieur und Forscher im Labor für Mesoskopische Systeme am PSI.

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