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TU Chemnitz: Kleinster mikroelektronischer Roboter der Welt

Ein internationales Forscherteam unter Federführung der TU Chemnitz hat den bislang kleinsten mikroelektronischen Roboter der Welt geschaffen. Der nur 0,8 mm lange, 0,8 mm breite und 0,14 mm hohe Roboter ist mit diversen Funktionen ausgestattet und wird von einem Zwillings-Düsenjet angetrieben.

Mikroroboter Bildquelle: © IFW Dresden

Die Idee eines komplexen mikroelektronischen Systems mit eigenem Antrieb und diversen Funktionen (Energiespeicherung, Elektronik, Sensorik, Kommunikation) wurde vor neun Jahren formuliert.

Ein Teil des US-Science-Fiction-Films „Die fantastische Reise/ The fantastic voyage“ von 1966 ist jetzt Realität: Wissenschaftler haben einen mikroelektronischen Roboter entwickelt, der so klein ist, dass man damit in Blutbahnen fahren kann. Dieser Durchbruch für den künftigen Einsatz autonom arbeitender Mikroroboter in der Biomedizin gelang einem Internationalen Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz, dort Initiator des Zentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) und Direktor am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden. An der Entwicklung des mechanisch sehr flexiblen Mikro-Roboters waren ferner die Chinesische Akademie der Wissenschaften Changchun die TU Dresden beteiligt.    

Das mit einer Aktorik ausgestattete System ist fernsteuerbar und in wässriger Lösung sehr manövrierfähig. Darüber hinaus verfügt der Roboter über eine Lichtquelle und einen kleinen Greifarm, die kabellos mit Energie versorgt werden können. Denkbar ist so der Einsatz von biomedizinischen Sensoren und Aktoren, die Anwendungen in den Bereichen der Mikro-Robotik und Medizintechnik ermöglichen, etwa dem Verabreichen von Medikamenten oder der Diagnose von Krankheiten direkt im Organismus. Die Ergebnisse und Funktionsmöglichkeiten des Systems sind von so hoher Relevanz, dass sie als Titel der aktuellen Ausgabe von „Nature Electronics“ erscheinen.    

Energie wird zum Mikroroboter mittels eines externen Transmitters und einer in dem Mikrosystem integrierten Empfangsantenne per Induktion übertragen. Es ist das erste Mal, dass die kabellose Übertragung elektrischer Energie in einem derart kleinen Mikro-Roboter genutzt werden kann.  

Mit ihrer Arbeit zur Fertigung des kleinsten mikroelektronischen Roboters, der kabellos mit Energie versorgt werden kann, fernsteuerbar und voll manövrierfähig ist, sowie über eine Aktorik verfügt, legen die Forscher um Prof. Dr. Oliver G. Schmidt eine wesentliche Grundlage für den zukünftigen Einsatz von autonom arbeitenden Mikrorobotern im biomedizinischen Sektor.   

“Vor fast zehn Jahren habe ich mit meinem damaligen Team die Idee formuliert, winzige chemische Düsenantriebe mit mikroelektronischen Komponenten zu verbinden, um damit zwei Fachrichtungen zusammenzuführen, die bis dahin nur wenig gemeinsam hatten. Es ist wunderbar zu sehen, dass diese Idee durch die technologische Innovationskraft meines Doktoranden Vineeth Kumar Bandari und das außergewöhnliche wissenschaftliche Engagement von Dr. Feng Zhu nun in einer ersten vereinfachten Form experimentell realisiert werden konnte“, sagt Schmidt.  

Die Antriebseinheit des nun vorgestellten 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 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. Prof. Dr. Oliver G. Schmidt erhielt 2018 den Gottfried Wilhelm Leibnitz-Preis, Deutschlands wichtigsten Forschungsförderpreis.