Durchbruch: Miniaturroboter im Baukasten hergestellt
Kleine bis kleinste Größen, unterschiedliche Materialien, ein individuelles Magnetisierungsprofil – Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme haben ein Baukastensystem entwickelt, mit dem sich weiche Roboter herstellen lassen. Das könnte die minimal-invasiven medizinischen Geräte bereichern.
Forscher des Max-Planck-Instituts haben einen winzigen, weichen Roboter entwickelt, der seine Form verändern kann.
Foto: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
„Möchte man weiche Miniaturroboter bauen, dann hat man viele unterschiedliche, oft komplexe Designs. Aufgrund der geringen Größe sind die verfügbaren Fertigungsmöglichkeiten sehr begrenzt. Das stellt uns vor große Herausforderungen“, sagt Metin Sitti, Leiter der Abteilung Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut. Seinem Team ist es nun gelungen, eine innovative Fabrikationsplattform zu entwickeln – sozusagen ein Baukastensystem für den Bau von Robotern. Damit ist es möglich, sehr komplexe Konstrukte zu bauen, die zugleich maßgeschneidert funktionieren. Ähnlich einem Lego-System können die Forscher einzelne Komponenten beliebig miteinander kombinieren. Diese Roboter könnten zum Beispiel die Bandbreite minimal-invasiver medizinischer Geräte in Zukunft ergänzen.
Die kleinen Roboter bestehen aus verschiedenen Materialien
Die neu entwickelten Bausteine, die man auch als sogenannte Voxel oder 3D-Pixel bezeichnen könnte, bestehen aus ganz unterschiedlichen Materialien. Dazu zählen solche, welche die Konstruktion stabil halten, oder auch magnetische Komponenten, welche die Steuerung der weichen Maschinen übernehmen. Es lassen sich also problemlos die einzelnen, auch weichen Teile, beliebig zusammensetzen. Dadurch erreicht jeder Roboter ein individuelles Magnetisierungsprofil. Dem Projekt vorausgegangen waren zahlreiche Tests und Experimente, in denen die Wissenschaftler an kleinen, magnetisch gesteuerten und kabellosen Robotern geforscht haben. Das Ziel dabei: ein möglicher Einsatz in der Medizin.
Deshalb reicht der Maßstab der Roboter von wenigen Millimetern bis hin zu nur einigen Mikrometern. Bislang war es den Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts nur gelungen, die Roboter aus einem einzigen Material herzustellen. Genau hier erzielten sie jetzt den Durchbruch und erreichten damit auch weitere mögliche Funktionalitäten. Sie selbst beschreiben es als wichtigen Meilenstein auf dem Forschungsgebiet der Soft-Robotik.
Mehr Möglichkeiten durch freie Integration magnetischer Teile im Roboter
Die Forscher aus der Abteilung Physische Intelligenz haben bereits zahlreiche Roboter entwickelt, unter anderem krabbelnde und rollende, von Raupen inspirierte oder spinnenartige Konstrukte, die hochspringen können. Sogar ein nachgebautes Heuschreckenbein ist darunter sowie magnetisch gesteuerte Maschinen, die wie Quallen im Wasser schwimmen.
„Bisher war das Magnetisierungsprofil eines jeden Roboters gekoppelt an seine Geometrie und damit limitiert. Jetzt haben wir eine Plattform geschaffen, die ein beliebiges Magnetisierungsprofil ermöglicht. Das ist möglich, weil wir mehrere magnetische Teile frei in ein System integrieren können“, sagt Jiachen Zhang, der mit Ziyu Ren das Projekt vorantrieb. Die neue Plattform verstehen die Wissenschaftler als Auftakt, um noch modernere weiche Miniaturroboter zu bauen.
Für die Konstruktion wählten die Forscher zwei Materialkategorien aus. In den meisten Fällen ist ein Polymer die Basis. Sie hält auch die Matrix zusammen. Hinzu kommen noch weitere Arten weicher Elastomere, zum Beispiel biokompatible Materialien wie Gelatine. In die zweite Kategorie gehören alle Materialien, in die magnetische Mikro- oder Nanopartikel integriert sind. Dadurch wird der Roboter steuerbar, schließlich reagiert er auf ein Magnetfeld.
Das Ziel: automatisierte Herstellung der kleinen Roboter
Die Voxel, also die einzelnen Bausteine, können in nur einem Schritt zu Tausenden hergestellt werden. Die einzelnen Blöcke produzieren sie mit winzigen Gussformen. Das kann man sich in etwa so vorstellen, als wenn man den Teig in einer Muffin-Backform in die einzelnen, dafür vorgesehenen Mulden verteilt. Dabei ist jeder Block allerdings nur etwa 100 Mikrometer groß. Bislang setzen die Forscher die Teile anschließend noch von Hand unter einem Mikroskop zusammen. Ein automatisiertes Zusammensetzen der Partikel sei zum jetzigen Zeitpunkt noch zu komplex. Genau daran wollen die Wissenschaftler nun weiterarbeiten.
„Bei unserer zukünftigen Arbeit wird die automatisierte Fertigung einen hohen Stellenwert einnehmen“, erklärt Jiachen Zhang. „Was unsere heutigen Roboterdesigns angeht, verlassen wir uns auf unsere Intuition, die auf langjähriger Erfahrung mit verschiedenen Materialien und weichen Robotern basiert.“ Denn nur, wenn die Herstellung automatisiert werden kann, ist auch eine kommerzialisierte Herstellung und Verwendung möglich.
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