Forscher der University of Pennsylvania und der University of Michigan haben kürzlich zusammengearbeitet, um die kleinsten, vollständig programmierbaren autonomen Roboter zu entwickeln, die jemals hergestellt wurden. Diese winzigen Maschinen sind nur ein Zehntel Millimeter breit und können monatelang denken, schwimmen und überleben.
Die Roboter messen etwa 200 Mikrometer mal 300 Mikrometer mal 50 Mikrometer, sind kleiner als ein Salzkorn und kosten in der Herstellung nur etwa einen Cent. Trotz ihrer geringen Größe können sie sich bewegen, ihre Umgebung wahrnehmen, berechnen und auf sie reagieren, ohne dass externe Verbindungen, Magnetfelder oder Steuerungen erforderlich sind. Mark Miskin, Assistenzprofessor für Elektro- und Systemtechnik an der University of Pennsylvania, sagte, dass solche Roboter 10.000 Mal kleiner als bestehende Mikroroboter seien, was eine neue Skala für programmierbare Roboter eröffne.
Das Forschungsteam veröffentlichte seine Ergebnisse in Science Robotics and Proceedings of the National Academy of Sciences und stellte sich eine Anwendung bei der Gesundheitsverfolgung einzelner Zellen oder bei der mikroskopischen Maschinenmontage vor. Da Roboter etwa so groß sind wie Mikroorganismen, könnten sie eines Tages durch organisatorische Umgebungen oder mikroskopisch kleine Produktionslinien pendeln, die mit herkömmlichen Robotern nur schwer zu erreichen sind.
Im Submillimetermaßstab weichen Schwerkraft und Trägheit Kräften wie Oberflächenspannung, Widerstand und Viskosität, was herkömmliche mechanische Gliedmaßen anfällig für Ausfälle macht. Das innovative Antriebssystem des Teams nutzt induzierte elektrische Felder, um Ionen in der umgebenden Flüssigkeit zu steuern und Wassermoleküle voranzutreiben, genau wie ein Roboter, der sich in einem „fließenden Fluss“ bewegt.
Die Roboter können komplexe Flugbahnen mit einer Geschwindigkeit von einer Körperlänge pro Sekunde absolvieren und ihre Bewegungen wie ein Fischschwarm koordinieren. Ein einfaches LED-Licht sorgt für die Stromversorgung, und ein Design ohne bewegliche Teile sorgt dafür, dass die Maschine robust ist, wiederholt Proben ohne Beschädigung übertragen kann und monatelang laufen kann.
Um Autonomie zu erreichen, integrierten die Forscher ultrakleine Computertechnologie aus der Gruppe von David Blau an der University of Michigan, die als Ergänzung auf einer DARPA-Konferenz vorgestellt wurde. Das Solarpanel erzeugt nur 75 Nanometer Strom – mehr als 100.000 Mal weniger als eine Smartwatch –, aber der Schaltkreis kann mit extrem niedrigen Spannungen betrieben werden. Prozessor, Speicher, Sensoren und Motoren sind alle in einer Struktur von Hunderten von Mikrometern integriert. Es kann die Temperatur auf ein Drittel Grad Celsius genau messen und Temperaturgradienten verfolgen, um Echtzeitdaten zu melden.
Menschen kommunizieren mit Robotern durch Bewegung: Der Computer kodiert Temperatur und andere Daten in „Tanz“-Jitter, die von Kameras unter dem Mikroskop entschlüsselt werden, ähnlich wie Bienen kommunizieren. Lichtimpulse können individuell mit Strom versorgt und programmiert werden, um die Arbeitsteilung und Zusammenarbeit zwischen Robotern zu unterstützen.
Miskin und Blau betrachten dies als Ausgangspunkt. Diese Plattform vereint mechanische Einfachheit, effiziente Elektronik und skalierbare Fertigung. Es eignet sich für Bereiche, die verteilte mikroskopische Intelligenz erfordern, und markiert den Beginn einer neuen Ära mikroskopischer Roboter.