Wissenschaftler der Cornell University in den USA haben erstmals Roboter entwickelt, die die Temperatur ihrer Umgebung wahrnehmen und „Hand in Hand" ihre Umgebung verändern können. Diese Roboter haben einen Durchmesser von nur einem Haar und könnten künftig in der Medizin und der Landwirtschaft eingesetzt werden. Die zugehörige Studie wurde in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift „Nature Electronics" veröffentlicht.

Mikroroboter arbeiten im Verbund. Foto: Kaitlyn Serrao/Cornell University Ithaca Campus und Cornell Tech

Diese Roboter können selbstständig laufen, ihre Umgebung wahrnehmen, Bilder aufnehmen und Messungen durchführen sowie „miteinander kommunizieren". Das Forschungsteam ließ 54 solcher Roboter eine „Formation" bilden und kombinierte sie mit temperatursensitiven Schaltkreisen, sodass Flüssigkeit zwischen Bereichen unterschiedlicher Temperatur strömt – von warmen zu kalten Stellen oder umgekehrt. Damit können Mikroroboter erstmals ihre physikalische Umgebung verändern.

Diese Roboter ähneln künstlichen Zilien und ahmen die Fähigkeit natürlicher Zilien nach, Flüssigkeiten zu pumpen, indem sie durch koordiniertes Schlagen Flüssigkeit auf mikroskopischer Ebene gerichtet vorantreiben. In den menschlichen Atemwegen wird so Schleim entfernt, und in den Eileitern werden Eizellen transportiert – beides beruht auf diesem Mechanismus.

Das Team übernahm jedoch nicht die Struktur natürlicher Zilien, sondern entwarf eine effizientere Doppelscharnierstruktur, die sich leicht über elektronische Signale programmieren lässt. Die beiden Scharniere bewegen sich nacheinander und erzeugen eine irreversible Ruderbewegung, die die umgebende Flüssigkeit antreibt.

Ein einzelnes Ruder richtet wenig aus – es braucht die vereinte Kraft vieler Roboter. Das Team ordnete 54 gelenkige künstliche Zilien zu einem Array an, das mit zwei temperatursensitiven Schaltkreisen ausgestattet ist – einem „Anführer" und einem „Gefolgsmann". Beide kommunizieren miteinander, synchronisieren die Zilien im Array und pumpen gemeinsam Flüssigkeit, wenn sich die Temperatur ändert. Dieser Schaltkreis bestimmt im Wesentlichen, wann und mit welchem Scharnier das Zilienarray pumpt: Liegt die Temperatur über einem festgelegten Wert, wird vorwärts gepumpt; ist sie niedriger, wird rückwärts gepumpt.

Das Team betont, dass die drei Schlüsselfähigkeiten – Wahrnehmen der Umgebung, Steuern von Flüssigkeiten und gegenseitige Kommunikation zwischen Mikrochips – einen von natürlichen Systemen inspirierten Rückkopplungskreis bilden, der künftig in der Medizin oder Landwirtschaft eingesetzt werden könnte. So könnten die Roboter beispielsweise auf Licht oder den pH-Wert reagieren und chemische Reaktionen oder mechanische Bewegungen auslösen.