Auf dem Weg zu intelligenten Mikrorobotern

idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
idw-Abo
Medienpartner:
Wissenschaftsjahr


Teilen: 
06.11.2019 19:00

Auf dem Weg zu intelligenten Mikrorobotern

Dagmar Baroke Abteilung Kommunikation
Paul Scherrer Institut (PSI)

    Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben eine Mikromaschine entwickelt, die unterschiedliche Aktionen ausführen kann. Dafür werden zuerst Nanomagnete in Bauteilen des Mikroroboters magnetisch programmiert und die verschiedenen Bewegungen dann durch Magnetfelder gesteuert. Solche nur wenige Mikrometer messende Maschinen könnten beispielsweise im menschlichen Körper eingesetzt werden, um kleine Operationen durchzuführen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden nun im Wissenschaftsmagazin Nature.

    Der nur wenige Mikrometer messende Roboter erinnert an einen mithilfe der japanischen Faltkunst hergestellten Papiervogel. Doch anders als ein Papiergebilde bewegt sich der Roboter wie von Geisterhand, ohne dass eine sichtbare Kraft auf ihn einwirkt. Er schlägt mit den Flügeln oder krümmt seinen Hals und zieht seinen Kopf ein. Möglich sind diese Aktionen durch Magnetismus.

    Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben die Mikromaschine unter anderem aus Materialien zusammengesetzt, die kleine Nanomagnete enthalten. Diese Nanomagnete können so programmiert werden, dass sie eine bestimmte magnetische Ausrichtung annehmen. Wenn die programmierten Nanomagnete dann einem Magnetfeld ausgesetzt werden, wirken spezifische Kräfte auf sie. Befinden sich diese Magnete in flexiblen Bauteilen, dann führen die auf sie wirkenden Kräfte zu einer Bewegung.

    Nanomagnete programmieren

    Die Nanomagnete lassen sich immer wieder neu programmieren. Das führt zu jeweils unterschiedlichen Kräften, die auf die Konstruktion wirken, und neuen Bewegungen.

    Für den Bau des Mikroroboters platzierten die Forschenden Reihen von Kobaltmagneten auf dünnen Schichten von Siliziumnitrid. Der «Vogel» aus diesem Material konnte verschiedene Bewegungen ausführen, beispielsweise flattern, rütteln, sich umdrehen oder zur Seite gleiten.

    «Diese Bewegungen des Mikroroboters spielen sich im Bereich von Millisekunden ab», sagt Laura Heyderman, Leiterin des Labors für Multiskalen Materialien Experimente am PSI und Professorin an der ETH Zürich. «Das Programmieren der Nanomagnete geschieht dagegen innerhalb weniger Nanosekunden.» Das ermöglicht, unterschiedliche Bewegungen zu programmieren. Bezogen auf das Modell des Mikrovogels bedeutet das, dass man ihn beispielsweise zunächst flattern, anschliessend zur Seite gleiten und dann wieder flattern lassen kann. «Wenn nötig, könnte man ihn dazwischen auch mal rütteln lassen», sagt Heyderman.

    Intelligente Mikroroboter

    Dieses neuartige Konzept ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Mikro- und Nanorobotern, die nicht nur Informationen für eine einzelne bestimmte Aktion speichern, sondern immer wieder neu programmiert werden können, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen. «Es ist vorstellbar, dass in der Zukunft eine autonome Mikromaschine durch menschliche Blutgefässe navigiert und biomedizinische Aufgaben wie das Abtöten von Krebszellen übernimmt», erklärt Bradley Nelson, Leiter des Departments Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich.

    «Andere Einsatzgebiete sind denkbar, zum Beispiel flexible Mikroelektronik oder Mikrolinsen, die ihre optischen Eigenschaften verändern», sagt Tian-Yun Huang, Forscher am Institut für Robotik und Intelligente Systeme der ETH Zürich.

    Darüber hinaus sind Anwendungen möglich, bei denen sich die Eigenarten von Oberflächen verändern. «Beispielsweise könnten damit Oberflächen geschaffen werden, die je nach Bedarf entweder von Wasser benetzt werden oder Wasser abweisen», sagt Jizhai Cui, Ingenieur und Forscher im Labor für Mesoskopische Systeme von Laura Heyderman am PSI.

    Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden nun im Wissenschaftsmagazin Nature.

    Text: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi


    Wissenschaftliche Ansprechpartner:

    Prof. Laura Heyderman
    Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
    Telefon: +41 56 310 26 13, E-Mail: laura.heyderman@psi.ch [Englisch, Deutsch, Französisch]

    Prof. Bradley J. Nelson
    Institut für Robotik und Intelligente Systeme
    ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
    Telefon: +41 44 632 55 29, E-Mail: bnelson@ethz.ch [Englisch]

    Dr. Jizhai Cui
    Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
    Telefon: +41 56 310 34 33, E-Mail: jizhai.cui@psi.ch [Englisch, Chinesisch]

    Dr. Tian-Yun Huang
    Institut für Robotik und Intelligente Systeme
    ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
    Telefon: +41 44 632 02 96, E-Mail: huangt@ethz.ch [Englisch, Chinesisch]


    Originalpublikation:

    Nanomagnetic Encoding of Shape-morphing Micromachines
    Jizhai Cui, Tian-Yun Huang, Zhaochu Luo, Paolo Testa, Hongri Gu, Xiang-Zhong Chen, Bradley J. Nelson, Laura J. Heyderman
    Nature, 06.11.2019
    DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1713-2


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten
    Physik / Astronomie
    überregional
    Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
    Deutsch


    Laura Heyderman (links) und Tian-Yun Huang (Mitte) betrachten ein Modell des Origami-Vogels, während Jizhai Cui den echten Mikroroboter unter einem Mikroskop beobachtet.


    Zum Download

    x

    Hilfe

    Die Suche / Erweiterte Suche im idw-Archiv
    Verknüpfungen

    Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.

    Klammern

    Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).

    Wortgruppen

    Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.

    Auswahlkriterien

    Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).

    Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).

    Cookies optimieren die Bereitstellung unserer Dienste. Durch das Weitersurfen auf idw-online.de erklären Sie sich mit der Verwendung von Cookies einverstanden. Datenschutzerklärung
    Okay