Mikroroboter sprechen mit Licht – der Weg zur Robotik-Kolonie
Smartlets der TU Chemnitz: Mikroroboter kommunizieren mit Licht, koordinieren sich im Wasser und weisen den Weg zu verteilten Robotik-Kolonien.
3D-modularer Mikroroboter – genannt Smartlet – auf einer Fingerspitze. Viele dieser Mikroroboter sollen künftig in Kolonien zusammen arbeiten.
Foto: Jacob Müller
Stellen Sie sich ein Glas Wasser vor. Darin treiben winzige Würfel, kaum größer als ein Mohnkorn. Ein Lichtimpuls hier, eine Bewegung dort. Plötzlich stimmen mehrere die gleiche Richtung an. Kein Kabel, keine externe Kamera. Nur Licht, Sensorik und einfache Regeln. So beginnt ein neues Kapitel der Mikrorobotik – mit Smartlets, die miteinander reden und gemeinsam handeln. Die Basis liefert ein Team an der TU Chemnitz.
Was hinter den Smartlets steckt
Smartlets sind autonome Mikroroboter von rund 1 mm Kantenlänge. An Bord: Mikroelektronik, Sensoren, Aktoren und eine eigene Energieversorgung über Photovoltaik. Mikro-LEDs senden Lichtsignale, Fotodioden empfangen sie. Ein Mikrochip interpretiert die Daten und löst Bewegungen oder Antworten aus. Das System arbeitet ohne große externe Steuerstation. Ziel ist eine lokale, programmierbare Interaktion direkt zwischen den Einheiten.
„Zum ersten Mal demonstrieren wir eine in sich geschlossene Mikrorobotereinheit, die nicht nur auf Reize reagiert und sich fortbewegt, sondern auch mit anderen Mikrorobotern auf programmierbare und autonome Weise interagiert.“
Die Forschenden berichten, dass die Kommunikation optisch erfolgt. Licht dient also doppelt: als Energiequelle und als Datenträger. Frequenzen und Muster kodieren Befehle. So lassen sich einzelne Smartlets selektiv ansprechen – oder viele gleichzeitig. Das legt die Basis für verteilte Aufgaben.
„Die Idee, Licht sowohl als Energie als auch als Information zu nutzen, eröffnet eine kompakte und skalierbare Möglichkeit, verteilte Robotersysteme zu schaffen.“
Origami auf dem Chip
Gefertigt werden die Smartlets mit einem origami-inspirierten Ansatz. Zunächst liegt die Elektronik flach auf einem Wafer. Beim Lösen faltet sie sich selbst zu einem hohlen 3D-Würfel. Innen entsteht Platz für Solarzellen, Rechenlogik und das optische System. Außen liegen die Flächen für Interaktion und Bewegung. Das Ergebnis: ein modularer Baustein, der allein funktioniert – und im Verbund noch mehr kann.
Bewegung im Wasser erzeugen die Smartlets mithilfe von Gasblasen im Hohlraum. Füllen sie den Innenraum, steigt der Würfel auf. Entweicht Gas, sinkt er. Diese einfache Auf-und-Ab-Steuerung reicht, um auf Lichtbefehle zu reagieren, sich zu synchronisieren und in Gruppen zu manövrieren. Eine externe Kamera oder Magnetspulen sind dafür nicht nötig.
Wie die Kommunikation abläuft
Jedes Smartlet bildet eine „drahtlose Kommunikationsschleife“. Eine Mikro-LED sendet, eine Fotodiode empfängt. Die Logik auf dem Chip wertet das Signal lokal aus. Es braucht keine Antennen und keine Funkmodule. Kommt ein Lichtimpuls an, entscheidet der Mikroprozessor: Bleiben, bewegen, weiterleiten – oder die Nachbar*innen anstoßen. So entstehen koordinierte Muster, ohne zentrale Leitstelle. Das reduziert Komplexität und spart Energie.
Zusätzlich nutzen die Chemnitzer ein Soft-Bonding-Verfahren, um winzige Silizium-„Lablets“ einzubetten. Diese Chiplets erweitern Rechen- und Steuerfunktionen. Der modulare Aufbau unterstützt das Prinzip „viele einfache Einheiten, die gemeinsam komplexes Verhalten zeigen“. Das kennen wir aus der Natur: Schwärme, Kolonien, Gewebe.
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Wofür sich Smartlets eignen könnten
Die Liste möglicher Aufgaben ist lang. Weil die Smartlets kabellos laufen, im Wasser arbeiten und auf Reize reagieren, rücken Anwendungen in Sicht wie:
- Prüfungen der Wasserqualität in Becken, Tanks oder Umweltproben
- Minimalinvasive Diagnosen in eng begrenzten Räumen
- Verteilte Sensornetzwerke und autonome Inspektionen in schwer zugänglichen Bereichen
Das Team nennt zudem die Soft-Robotik als Feld, in dem adaptive, sanfte Bewegungen zählen. Wichtig: Diese Beispiele sind Ziele. Die Technik steht noch am Anfang, auch wenn erste Gruppenfunktionen im Wasser gezeigt wurden.
Blick nach vorn: Von Schwärmen zu „Kolonien“
Langfristig denken die Forschenden in Richtung „digitaler Organismen“. In kolonialen Lebensformen übernehmen einzelne Einheiten – Zooide – verschiedene Rollen. Übertragen auf Smartlets könnte ein Würfel besser sehen (Sensorik), ein anderer stärker bewegen (Aktorik), ein dritter koordinieren (Kommunikation). Zusammen entsteht ein System, das sich anpasst und Aufgaben teilt. Die Idee knüpft an das Konzept der „microelectronic morphogenesis“ an: Elektronik in formveränderlichen Materialien organisiert sich selbst.
„Wir sind zwar noch weit davon entfernt, künstliches Leben zu schaffen“, dämpft Prof. McCaskill die Erwartungen, „aber wir beginnen zu erkennen, wie verteilte Intelligenz und modulare Hardware Systeme hervorbringen können, die die adaptiven, kommunikativen Verhaltensweisen lebender Kollektive widerspiegeln.“
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