Matroschka trifft Roboter: Wie die kleinen Helfer ihre Form ändern

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart haben in der Fachzeitschrift Nature eine Methode vorgestellt, mit der sie kleine, flexible und magnetische Röhrenstapel direkt vor Ort in Echtzeit umprogrammieren können. Indem sie die Magnetteile der Röhrchen neu anordnen, kann der Matroschka-ähnliche Roboter seine Form auf einzigartige Weise verändern.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Metin Sitti, ehemals Direktor am MPI-IS und jetzt Präsident der Koç-Universität in Istanbul, stapelte das Team mehrere Röhrchen wie Matroschka-Puppen ineinander. So liegt Röhrchen C in B, und B wiederum in A. Jedes Röhrchen enthält eine oder mehrere magnetische Einheiten, deren Magnetisierung nach Bedarf programmiert werden kann. Wenn die Röhrchen gestapelt oder auseinandergezogen werden, ändern sich die Positionen der Magneteinheiten – und damit das Magnetfeld des gesamten Röhrchenstapels.

Echtzeit-Formänderung und vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Bisher war es bei magnetischen Soft-Robotern nicht möglich, ihre Form in Echtzeit vor Ort zu verändern. Mit der neuen Methode kann ein gerade Röhrchen nun unter konstantem Magnetfeld zum Beispiel in eine Helix oder in die entgegengesetzte Richtung gebogen werden. Außerdem lässt sich der Ansatz auf zwei- und dreidimensionale Konstruktionen ausweiten, sodass ein Formwechsel in Echtzeit möglich ist, ohne das Magnetfeld zu ändern.

Das Team nutzte seine Methode, um verschiedene Anwendungsmöglichkeiten zu testen. So könnten Roboter Hindernisse berührungslos umfahren, kleine Flimmerhärchen- oder Zilien-ähnliche Roboter neu programmiert werden, oder mehrere Geräte gleichzeitig unter demselben Magnetfeld koordiniert arbeiten.

Praktische Perspektiven in der Medizin

Die Forschung der Wissenschaftler könnte eines Tages direkte Anwendungen in der Medizin finden, besonders bei minimalinvasiven Eingriffen an Blutgefäßen. Dabei führen Ärzte einen Katheter und einen Führungsdraht durch die Gefäße, um Diagnosen zu stellen oder Therapien durchzuführen. Da der Katheter durch gebogene Gefäße navigiert, entsteht Reibung an den Gefäßwänden, was zu Schäden, verzögerter Heilung oder in schweren Fällen zu Komplikationen führen kann. Aus diesem Grund entscheiden sich besonders ältere Patientinnen und Patienten oft gegen solche Eingriffe und bevorzugen Medikamente.

Mit dieser neuen Technologie, die in Nature vorgestellt wurde, lässt sich der Katheter in Echtzeit an den Verlauf der Blutgefäße anpassen. So könnten Reibung und Kontakt stark reduziert oder sogar vermieden werden. Das verringert das Risiko von Gewebeschäden, beschleunigt die Heilung und macht minimalinvasive Eingriffe auch für ältere oder besonders empfindliche Patientinnen und Patienten sicherer und praktikabler.

Grundlagenforschung mit Praxis-Potenzial

Xianqiang Bao, Erstautor der Publikation, erklärte, dass ihr ursprüngliches Ziel darin bestanden habe, eine Methode zu entwickeln, mit der sich ein Magnetisierungsprofil sofort und vor Ort verändern lasse. Während der Forschung hätten sie unerwartete Eigenschaften wie Formbeständigkeit und magnetische Neutralisierung entdeckt, die neue Möglichkeiten für Technologien wie Katheterdesign oder die Neuprogrammierung von Zilienarrays eröffnen könnten.

Die beiden Co-Erstautoren Fan Wang und Jianhua Zhang betonten, dass diese Grundlagenarbeit viele potenzielle Anwendungsszenarien biete. In zukünftigen Studien plane ihr Team, die Methode in konkrete Anwendungen zu integrieren und ihre Machbarkeit in weiteren Bereichen zu prüfen.