Ultraschall treibt Mikroroboter an

Forscher am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme MPI-IS in Stuttgart haben einen bolzen­förmigen, synthetischen Roboter mit einem Durchmesser von nur 25 Mikrometern entwickelt, der akustisch vorwärts bewegt wird. Noch nie zuvor hat ein so kleiner, mit Ultra­schallwellen angetriebener Mikro­roboter eine so hohe Geschwindigkeit erreicht. Sein intelligentes Design ist so effizient, dass er sogar die Schwimmfähigkeit natürlicher Mikro­organismen übertrifft. 

Die Wissenschaftler statteten den aus Polymer 3D-gedruckten Mikro­roboter mit einem runden Hohlraum und einer kleinen röhrenförmigen Öffnung aus. Ist der Roboter umgeben von Flüssigkeit wie etwa Wasser, kapselt er eine Luftblase ein. Sobald der Roboter Ultra­schallwellen von etwa 330 Kilohertz ausgesetzt wird, pulsiert die Luftblase und drückt die Flüssigkeit im Inneren der röhren­förmigen Öffnung in Richtung Ausgang. Die Bewegung der Flüssigkeit schiebt dann das Geschoss ziemlich kräftig vorwärts: mit bis zu neunzig Körperlängen pro Sekunde. Das ist eine Schubkraft, die zwei bis drei Größen­ordnungen stärker ist als die von natürlichen Mikro­organismen wie Algen oder Bakterien. Beide gehören zu den effi­zientesten Mikroschwimmern in der Natur, perfekt­ioniert im Laufe der Evolution. 

Mikroroboter, die mit Ultra­schallwellen angetrieben werden, sind nichts Neues. Jedoch waren bisherige Modelle relativ langsam und erwiesen sich in der Nähe von Oberflächen schwierig zu steuern. Außerdem war nach nur wenigen Minuten Schluss: sie ließen sich nicht mehr steuern, weil der Druck des Wasser zu groß wurde und es den Hohlraum des Schwimmers vollständig füllte – alles Faktoren, die es schwierig machen, solche Miniatur­roboter für medizinische Anwendungen einzusetzen wie zum Beispiel die gezielte Verabreichung von Medikamenten, bei Entgiftungen oder nicht-invasive Operationen. Die Wissenschaftler der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS, Amirreza Aghakhani, Oncay Yasa, Paul Wrede und Metin Sitti, der Direktor der Abteilung, zeigte nun, wie sie die Lenkfähigkeiten ihres Roboters verfeinern und gleichzeitig die Betriebszeit auf mehrere Stunden erhöhen konnten. 

Zusätzlich zu der Ausstattung mit einem Hohlraum und einer Öffnung nach unten hin haben die Wissenschaftler ihren Roboter mit einer kleinen Flosse versehen. Sie gibt die Schwimm­richtung vor. Außerdem trugen die Forscher eine magnetische Nanofilmschicht auf die Spitze des Roboters auf. Mit Hilfe externer Magnetfelder konnten sie so die Fahrtrichtung nach links oder rechts bzw oben oder unten ändern. In mehreren Experimenten testeten die Forscher, wie gut sich ihr Roboter innerhalb einer kleinen Röhre – ähnlich groß wie ein Blutgefäß – bewegen kann. Sie setzten den Roboter akustischen Wellen und einem Magnetfeld aus und es gelang ihnen, den Roboter in dem Kanal zu navigieren – unabhängig davon, ob die Oberfläche glatt oder gewellt war.

Die Forscher zeigten zudem, dass das Einfangen von Ladung automatisch geschieht, während sich der Mikroroboter fortbewegt. Während die Flüssigkeit aus dem Hohlraum des Roboters gedrückt wird während er Ultra­schallwellen ausgesetzt ist, erzeugt diese einen kreisförmigen Strom. Dieser Strom sorgt dafür, dass die umgebenden Medikamenten­partikel zum Roboter geführt werden. Dort sammeln sich die Partikel an und werden mitsamt des Roboters wegtransportiert. Dank dieser Fähigkeit, Ladung einzufangen, könnten solche Roboter möglicher­weise eines Tages eingesetzt werden, um Krebsmedikamente im Blutstrom zu sammeln und das Medikament gezielt in Richtung eines Karzinoms zu transportieren. Die Ladung würde dann in unmittelbarer Nähe freigesetzt und so eine maximale Wirkung erzielt werden.

„Wir können unsere Mikro­roboter sehr effizient betätigen, und sie sind auch sehr schnell. Ultraschall ist für den Körper harmlos und kann tief in das Innere des Körpers eindringen. Wir können unsere Roboter sowohl auf flachen als auch auf welligen Oberflächen kontrolliert bewegen und wir können Ladung wie z.B. Medikamente fortbewegen“, sagt Amirreza Aghakhani, Postdoc in der Abteilung für Physische Intelligenz. Ein weiterer Vorteil ist die Ultraschall­bildgebung. Im Inneren des Körpers ist die Bildgebung sehr schwierig, da der Roboter nur einige Mikrometer groß ist. „Die eingeschlossene Luftblase wirkt jedoch als Kontrast­mittel. Sie macht den Roboter und seine Position somit besser sichtbar“, fügt Aghakhani hinzu. „Unsere Zukunfts­vision ist es, solche akustisch angetriebenen und magnetisch gesteuerten Mikro­roboter in naher Zukunft im menschlichen Körper für verschiedene minimal­invasive medizinische Anwendungen einzusetzen“, sagt Metin Sitti.

MPI-IS / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Aghakhani et al.: Acoustically powered surface-slipping mobile microrobots, Proc. Nat. Ac. Sc., online 3. Februar 2020; DOI: 10.1073/pnas.1920099117
• Abt. Physische Intelligenz, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme MPI-IS, Stuttgart