Mikro-Staubsauger: Wie Nanoroboter aus Würzburg Bakterien jagen
Ein neuer Roboter der Uni Würzburg ist 50-mal kleiner als ein Haar. Seine Aufgabe: Bakterien einfangen und abtransportieren. Das Antriebsprinzip ist denkbar einfach.
Künstlerische Darstellung eines Nanoroboters (Mitte), der von Bakterien zweier Typen umgeben ist. Die gestrichelten Pfeile zeigen die Anziehungskraft, die der beleuchtete Roboter auf die Bakterien ausübt. Das Inset oben rechts zeigt die Goldantennen im Inneren des Roboters, die als Motor dienen.
Foto: Jin Qin / Uni Würzburg
Bakterien sind winzig. Entsprechend schwierig ist es, sie gezielt zu greifen, zu bewegen und an einem bestimmten Ort wieder abzusetzen. Ein Team der Universität Würzburg hat einen Roboter gebaut, der genau das können soll. Und das ist noch nicht einmal das Spannendste an ihm.
Die Forscher sprechen von einem „mikroskopischen Saugroboter“. Er misst gerade einmal 920 Nanometer im Durchmesser und wiegt 0,26 Pikogramm. Damit ist er rund 50-mal feiner als ein menschliches Haar und nochmal deutlich kleiner als etwa die fliegenden Insektenroboter des MIT. Und er bewegt sich nicht mechanisch fort, sondern via Licht.
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So funktioniert der Antrieb
Im Inneren des Roboters sitzen laut einer Pressemitteilung der Uni Würzburg vom 8. April winzige Lichtantennen aus Gold. Diese „plasmonischen Nanoantennen“ werden mit einem fokussierten Helium-Ionenstrahl aus kristallinen Goldplättchen herausgeschnitten. Der Heliumstrahl ist so fein, dass er Strukturen im Nanometerbereich fräsen kann. Anschließend werden die Antennen in eine durchsichtige Scheibe aus Siliziumdioxid gebettet.
Wenn Laserlicht auf die Antennen trifft, absorbieren sie es und strahlen es zielgerichtet wieder ab. Jedes abgelenkte Lichtteilchen erzeugt dabei eine Rückstoßkraft, ähnlich wie eine Pistole beim Abfeuern. Weil der Roboter so leicht ist, reicht dieser Impuls aus, um ihn in Bewegung zu setzen.
Laut den Forschern erreicht der Nanobot so Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 50 Mikrometern pro Sekunde. In ihrer kürzlich veröffentlichten Studie schreiben die Entwickler, dies sei fast fünfmal schneller als alle bisherigen lichtgetriebenen Mikrofahrzeuge. Die Steuerung funktioniert über die Polarisation des Lichts: Die Nanoantennen richten sich entlang der Polarisationsrichtung aus. Der Roboter dreht sich also, wenn man die Polarisation ändert.
Auf Bakterien-Jagd
Laut der Studie erreichen die Nanoroboter so eine erstaunliche Wendigkeit. In Experimenten steuerten die Forscher sie entlang komplexer Bahnen, etwa in Form der Buchstaben „E“, „P“ und „5″, sowie in spiralförmigen Mustern, um Flächen systematisch abzuscannen.
Wie aber jagt der Roboter Bakterien? Jin Qin, der das Experiment geleitet hat, spricht in der Pressemitteilung von „mikroskopischen Saugrobotern“ – doch streng genommen saugt der Roboter nichts ein. Statt eines Vakuums erzeugen die Goldantennen bei Beleuchtung eine milde lokale Erwärmung von weniger als 10 Kelvin. Der daraus resultierende Temperaturgradient treibt Bakterien in Richtung des Roboters.
Die Forscher testeten diesen Einfangmechanismus mit zwei Bakterienarten: stäbchenförmigen Escherichia coli und kugelförmigen Staphylococcus carnosus. Beide konnte der Roboter gleichermaßen einfangen, heißt es in dem Paper. Einmal angezogen, könne der Roboter ganze Bakteriencluster transportieren, auch wenn diese ein Hundertfaches seiner eigenen Masse wiegen. Sobald der Laser abgeschaltet wird, löst sich der Cluster wieder auf.
Direkter Eingriff in die mikrobielle Welt
Das Team um Professor Bert Hecht forscht schon länger an lichtgetriebenen Mikrosystemen. 2022 veröffentlichten die Physiker in Nature Nanotechnology eine Studie zu sogenannten Mikrodrohnen, mikrometergroße Geräte mit bis zu vier Nanoantennen, die sich mit zwei Laserstrahlen in zwei Dimensionen steuern ließen.
Der neue Nanoroboter kommt mit einem einzigen Laserstrahl aus und ist über tausendmal leichter als vergleichbare Systeme. „Durch die vereinfachte Bauweise haben wir eine Größe erreicht, bei der diese Roboter direkt in der mikrobiellen Welt agieren können“, betont Jin Qin.
Potenzial in der Medizin
Noch arbeiten die Nanoroboter ausschließlich unter Laborbedingungen. Zudem bewegen sie sich nur in zwei Richtungen – horizontal und vertikal –, weil der Laser zwischen zwei Polarisationsrichtungen umschaltet. In Zukunft könnte eine angepasste Optik aber Bewegungen in sämtliche Richtungen ermöglichen. Außerdem arbeiten die Forscher daran, mehrere Roboter gleichzeitig zu steuern.
„Das ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie Licht nicht nur zur Beobachtung der mikroskopischen Welt genutzt werden kann, sondern auch zu ihrer aktiven Gestaltung“, kommentiert Bert Hecht. Die Forscher sehen Anwendungspotenzial in der Mikrobiologie, der biomedizinischen Forschung und in der gezielten Wirkstoffzufuhr.
Die vollständige Studie ist im Fachmagazin Nature Communications kostenlos abrufbar.
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