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Inspiriert von Bakterien und Spermien bauen Wissenschaftler schwimmende Mikroroboter

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Seit mehr als einem Jahrzehnt erforscht das Labor von Mingming Wu die Art und Weise, wie Mikroorganismen - von Bakterien bis zu Krebszellen - wandern und mit ihrer Umgebung kommunizieren. Ziel war es, einen ferngesteuerten Mikroroboter zu entwickeln, der sich im menschlichen Körper bewegen kann. Wus Team versuchte zunächst, einen Mikroroboter zu entwerfen und in 3D zu drucken, der die Art und Weise nachahmt, wie sich Bakterien mit ihren Geißeln fortbewegen.

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Diese Bemühungen scheiterten jedoch. Schon bald begannen sie, einen weniger wörtlichen Ansatz zu erforschen. Die größte Hürde war die Frage, wie man ihn mit Energie versorgen konnte. So wie ein Mensch krabbeln muss, bevor er gehen kann, muss ein Mikroroboter mit Energie versorgt werden, bevor er schwimmen kann.

"Bakterien und Spermien verbrauchen organisches Material in der sie umgebenden Flüssigkeit, und das reicht aus, um sie anzutreiben", so Wu. "Aber für technische Roboter ist das schwierig, denn wenn sie eine Batterie tragen, ist sie zu schwer, um sich zu bewegen."

Das Team kam auf die Idee, hochfrequente Schallwellen zu verwenden. Da Ultraschall leise ist, kann er problemlos in einem Versuchslabor eingesetzt werden. Ein zusätzlicher Bonus ist, dass die Technologie von der US Food and Drug Administration als sicher für klinische Studien eingestuft wurde.

In Zusammenarbeit mit der Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) hat der ehemalige Postdoktorand Tao Luo einen dreieckigen mikro-robotischen Schwimmer entwickelt, der wie eine Kreuzung aus Insekt und Raketenschiff aussieht.

Das wichtigste Merkmal des Schwimmers ist ein Paar in den Rücken geätzter Hohlräume. Da sein Harzmaterial hydrophob ist, wird beim Eintauchen des Roboters in eine Lösung automatisch eine winzige Luftblase in jedem Hohlraum eingeschlossen. Wenn ein Ultraschallwandler auf den Roboter gerichtet wird, schwingt die Luftblase und erzeugt Wirbel - auch als Strömung bekannt - die den Schwimmer vorwärts treiben.

Andere Ingenieure haben bereits "Einzelblasen"-Schwimmer gebaut, aber die Cornell-Forscher sind die ersten, die eine Version mit zwei Blasen entwickelt haben, von denen jede eine Öffnung mit unterschiedlichem Durchmesser in ihrem jeweiligen Hohlraum hat. Indem sie die Resonanzfrequenz der Schallwellen variieren, können die Forscher eine der beiden Blasen anregen - oder sie zusammen abstimmen - und so steuern, in welche Richtung der Schwimmer getrieben wird.

Die künftige Herausforderung besteht darin, die Schwimmer biokompatibel zu machen, damit sie sich zwischen Blutzellen bewegen können, die etwa so groß sind wie sie selbst. Künftige Mikroschwimmer müssen außerdem aus biologisch abbaubarem Material bestehen, damit viele Bots auf einmal eingesetzt werden können. Genauso wie bei der Befruchtung nur ein einziges Spermium erfolgreich sein muss, ist auch hier das Volumen entscheidend. "Für die Verabreichung von Medikamenten könnte man eine Gruppe von mikro-robotischen Schwimmern einsetzen, und wenn einer während der Reise ausfällt, ist das kein Problem. So überlebt die Natur", sagte Wu. "In gewisser Weise ist es ein robusteres System. Kleiner ist nicht gleichbedeutend mit schwächer. Eine Gruppe von ihnen ist unbesiegbar. Ich glaube, dass diese von der Natur inspirierten Werkzeuge in der Regel nachhaltiger sind, weil die Natur bewiesen hat, dass sie funktionieren