Mikroantriebe

Kleinster mikroelektronischer Roboter der Welt

23. März 2020, 10:00 Uhr   |  TU Chemnitz

Kleinster mikroelektronischer Roboter der Welt
© Jacob Müller

Prof. Dr. Oliver G. Schmidt war federführend an der Entwicklung des mikroelektronischen Roboters beteiligt.

Kontrolle und Steuerbarkeit erstmalig in kabellosem Mikroelektronik-Roboter umgesetzt

Das Forschungsfeld der Mikro-Roboter und Mikromotoren erzeugt seit mehr als zehn Jahren ein stark steigendes weltweites Interesse bei Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern verschiedener Fachrichtungen. Insbesondere die fiktive Anwendung eines medizinischen Mini-U-Boots mit eigenem steuerbaren Antrieb beflügelt immer wieder sowohl die Grundlagen- als auch die angewandte Forschung.

Dabei war das Ziel, die Entwicklung eines vollständig kontrollier- und steuerbaren mikroelektronischen Roboters, lange Zeit Science Fiction. Zwar gibt es mittlerweile chemisch angetriebene Mikromotoren, die in ersten medizinischen Studien in den USA auf ihre Tauglichkeit zur Heilung bestimmter Krankheiten getestet werden.

Allerdings handelt es sich dabei um sehr einfache Systeme, die weder über elektrische Energie noch über mikroelektronische Einheiten an Bord verfügen. Eine gezielte Kontrolle und Steuerung der Mikroroboter ist somit nicht möglich. Das ist bei dem von Oliver G. Schmidt und seinem Team von der TU Chmenitz entwickelten System anders.

Voll fernsteuerbarer Mikroantrieb

Die Antriebseinheit des Systems besteht aus aufgerollten Mikroröhrchen, die Schub durch den druckhaften Ausstoß von Sauerstoffbläschen erzeugen. Diesen Vorgang konnten die Forscherinnen und Forscher in einem der beiden Mikroröhrchen thermisch kontrollieren und so den Mikro-Roboter in verschiedene Richtungen steuern.

Das komplette mikroelektronische System fertigten die Forscherinnen und Forscher aus einer Kombination aus Nano-Membranen auf Polymer-Basis an, die mit ihren Materialeigenschaften ihresgleichen sucht und in dieser Kombination eine wesentliche Rolle spielt. Die Konstruktion ist mechanisch hochflexibel und ermöglicht die Aufnahme elektronischer Komponenten und steuerbarer Aktuatoren.

Für letzteres fertigte das Team eine dünne Schicht aus einem temperaturempfindlichen Polymer und integrierte diese als Aktuator an einem Ende des mikrorobotischen Systems. Durch die justierbare lokale Erhöhung oder Verringerung der Temperatur ist es möglich, den Aktuator zu schließen und zu öffnen, um kleinste Objekte zu greifen und wieder loszulassen.

Elektrische Energie in einem Mikroroboter

Da der Mikroroboter Energie braucht, aber nicht einfach an der Steckdose geladen werden kann, kommt ein System für die drahtlose Energieübertragung zum Einsatz, das aus einem externen Transmitter und einer in dem Mikrosystem integrierten Empfangsantenne besteht. Die Energie wird per Induktion übertragen – das Prinzip ist mit dem kabellosen Aufladen eines Handys vergleichbar. Es ist das erste Mal, dass die kabellose Übertragung elektrischer Energie in einem derart kleinen Mikro-Roboter genutzt werden kann.

Da aktuell für den Antrieb unter anderem auch Wasserstoffperoxid notwendig ist, kann das System in dieser Labor-Konfiguration noch nicht direkt im menschlichen Körper eingesetzt werden. Eine Weiterentwicklung ist dafür nötig, der sich das Forschungsteam in einem nächsten Schritt widmen wird.

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(me)

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