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40 Jahre lang galt es als unlösbar, nun haben Forscher einen vollständigen Roboter geschaffen, der kleiner ist als ein Salzkorn – mit erstaunlichen Fähigkeiten.
Forscher haben eine technische Herausforderung gelöst, die die Wissenschaft seit 40 Jahren beschäftigt, und einen Roboter mit einem integrierten Computer, Sensoren und einem Motor gebaut, dessen gesamte Baugröße weniger als 1 Millimeter beträgt – kleiner als ein Salzkorn.
Ein Mikroroboter auf einem US-Cent, zur Veranschaulichung der Größe. © Michael Simari/University of Michigan
Diese Leistung, die durch eine Zusammenarbeit von Forschern der University of Pennsylvania und der University of Michigan erzielt wurde, bringt die Medizin einem Zukunftsszenario näher, in dem winzige Roboter in den menschlichen Körper geschickt werden könnten, um beschädigte Nerven wieder zu verbinden, Medikamente an bestimmte Stellen zu transportieren und den Gesundheitszustand der Zellen eines Patienten ohne Operation zu bestimmen.
„Erster winziger Roboter, der fühlen, denken und handeln kann“
„Es ist der erste winzige Roboter, der fühlen, denken und handeln kann“, sagte Marc Miskin, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Systemtechnik an der University of Pennsylvania und Autor eines Artikels, der diese Woche in der Fachzeitschrift Science Robotics veröffentlicht wurde.
Das Gerät, das als der weltweit kleinste Roboter gilt, der selbstständig Entscheidungen treffen kann, ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines Ziels, das einst in der Science-Fiction verwurzelt war. In den 1960er Jahren stellte die Geschichte und der Film „Fantastic Voyage“ ein medizinisches Team vor, das an Bord eines U-Boots platziert und auf die Größe eines Mikroorganismus geschrumpft wurde. Die mikroskopisch kleine medizinische Crew wurde dann in den Körper eines sterbenden Mannes injiziert, um ein inoperables Blutgerinnsel zu zerstören.
„In Zukunft, sagen wir in 100 Jahren, möchten wir alles, was ein Chirurg heute tut, mit einem Roboter machen“, sagte David Gracias, Professor am Fachbereich für Chemie- und Biomolekulartechnik der Johns Hopkins University, der nicht an der Studie beteiligt war. „Wir sind noch nicht so weit.“
1989, zwei Jahrzehnte nach „Fantastic Voyage“, schrieben Rodney A. Brooks und Anita M. Flynn, Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology, einen Artikel mit dem Titel „Fast, Cheap and Out of Control: A Robot Invasion of the Solar System“ (Schnell, billig und außer Kontrolle: Eine Roboterinvasion des Sonnensystems), in dem sie einen von ihnen gebauten Roboter mit einer Größe von nur 1¼ Kubikzoll beschrieben, der den Namen Squirt erhielt.
Winziger Roboter ist ein „Vorreiter einer neuen Geräteklasse“
Sawyer Fuller, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der University of Washington, sagte, als „Fast, Cheap and Out of Control“ veröffentlicht wurde, „dachten die Leute, die Mikrorobotik würde jeden Moment kommen. … Es hat sich herausgestellt, dass es etwas länger gedauert hat als erwartet, all diese Dinge zusammenzufügen.“ Fuller, der nicht an der Konstruktion des neuen Mikroroboters beteiligt war, bezeichnete ihn als „Vorreiter einer neuen Geräteklasse“.
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Miskin sagte, der von den Teams aus Michigan und Pennsylvania gebaute Mikroroboter sei etwa 1/100 so groß wie der Squirt des MIT, aber noch nicht für den biomedizinischen Einsatz bereit. „Es würde mich nicht überraschen, wenn wir in zehn Jahren echte Anwendungsmöglichkeiten für diesen Robotertyp hätten“, sagte David Blaauw, Mitautor des Artikels in Science Robotics und Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of Michigan.
Roboter bauen, der weniger als einen Millimeter groß ist
Seit Jahrzehnten träumen Wissenschaftler davon, einen Mikroroboter zu bauen, der weniger als 1 Millimeter groß ist, eine Grenze, die den kleinsten Einheiten unserer Biologie entspricht, sagte Miskin. „Jedes Lebewesen ist im Grunde genommen ein riesiger Verbund aus 100-Mikrometer-Robotern, und wenn man darüber nachdenkt, ist es ziemlich beeindruckend, dass die Natur diese eine Größe als diejenige ausgewählt hat, mit der sie das Leben organisieren wollte.“ Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 70 Mikrometern, während menschliche Zellen etwa 20 bis 40 Mikrometer groß sind.
Obwohl Wissenschaftler und Ingenieure seit einem halben Jahrhundert daran arbeiten, Schaltkreise zu miniaturisieren, bestand die Herausforderung darin, alle für einen computergesteuerten Mikroroboter erforderlichen Teile zu verkleinern und sie dann zusammenzubauen, ohne die Teile zu beschädigen oder zu gegenseitigen Interferenzen zu führen. Der Roboter benötigt eine Energiequelle mit ausreichender Leistung, um den Computer zu betreiben und den Roboter zu bewegen.
Vor fünf Jahren traf Miskin, dessen Spezialgebiet der Bau von Mikrorobotern ist, Blaauw, als die beiden nacheinander Vorträge hielten. Blaauws Labor hatte damals – und hat auch heute noch – die Auszeichnung, den kleinsten Computer der Welt gebaut zu haben. „Schon während der Präsentationen dachten wir: ‚Oh, wir müssen uns unterhalten‘“, erinnert sich Blaauw.
Winzige Solarzellen wandeln Licht in Energie um
Das von ihnen gebaute Gerät verwendet winzige Solarzellen, die Licht in Energie umwandeln. Ein Teil dieser Energie versorgt den Computer mit Strom, ein anderer Teil treibt den Roboter an, während er durch Flüssigkeit schwimmt. Der Computer läuft mit etwa einem Tausendstel der Geschwindigkeit heutiger Laptops und hat weit weniger Speicherplatz. Im Labor leuchteten die Wissenschaftler mit einer LED-Lampe in die Laborschale, in der sich der Roboter in einer Lösung befand. Der Roboter besteht aus denselben Materialien wie ein Mikrochip: Silizium, Platin und Titan.
Um ihn vor den Auswirkungen von Flüssigkeiten zu schützen, ist der Mikroroboter von einer dicken Schicht aus Glas umgeben, so Miskin. Das Glas weist einige Löcher auf, die mit dem Metall Platin gefüllt sind und die Elektroden bilden, die den elektrischen Zugang ermöglichen. An der Johns Hopkins University betonte Gracias, dass Wissenschaftler sicherstellen müssen, dass die für Mikroroboter verwendeten Materialien sicher im menschlichen Körper eingesetzt werden können.
Sensoren am Roboter ermöglichen es ihm, auf unterschiedliche Temperaturen in Flüssigkeiten zu reagieren. Um sich fortzubewegen, nutzt das Gerät Energie aus den Sonnenkollektoren, um zwei Metallelektroden auf beiden Seiten aufzuladen. Die Elektroden ziehen entgegengesetzt geladene Teilchen im Wasser an und erzeugen so eine Strömung, die den Roboter vorantreibt. Während er schwimmt, kommuniziert der Roboter mit der Person, die ihn bedient. „Wir können ihm über einen Laptop Nachrichten senden und ihm mitteilen, was er tun soll“, sagte Miskin, „und er kann uns Nachrichten zurücksenden, um uns mitzuteilen, was er gesehen hat und was er getan hat.“
Roboter kommuniziert mit Bewegungen, die dem Schwänzeltanz von Bienen ähneln
Der Roboter kommuniziert mithilfe von Bewegungen, die von dem Schwänzeltanz inspiriert sind, den Honigbienen zur Kommunikation verwenden. Im Sommer luden die Wissenschaftler eine Gruppe von Schülern ein, um die neuen Mikroroboter zu testen. Die Schüler konnten die Bewegungen der Roboter mit einem speziellen, kostengünstigen Mikroskop verfolgen. „Sie waren begeistert“, sagte Miskin. „Am Anfang war es sicherlich eine kleine Herausforderung, sich an die Arbeit mit etwas so Kleinem zu gewöhnen. Aber das ist Teil des Reizes. Sobald sie den Dreh raus hatten, waren sie alle mit Begeisterung dabei.“ Miskin sagte, dass die Version des Roboters, die die Schüler verwendeten, nur etwa 10 Dollar kostete.
Die Forscher arbeiten nun daran, den Mikroroboter so weiterzuentwickeln, dass er in Salzwasser, an Land und in anderen Umgebungen eingesetzt werden kann. Das langfristige Ziel, so Blaauw, sei es, winzige Computer zu entwickeln, die nicht nur mit ihren Bedienern kommunizieren können. „Das nächste große Ziel ist also, dass sie miteinander kommunizieren können“, sagte er.
Zu den Autoren
Mark Johnson kam im Juli 2022 zur Washington Post, nachdem er 22 Jahre lang beim Milwaukee Journal Sentinel über Gesundheit und Wissenschaft berichtet hatte. Er schrieb über den ersten Menschen, der ohne Impfung eine Tollwutinfektion überlebte, und berichtete über den ersten Einsatz der vollständigen Gensequenzierung zur Diagnose und Behandlung einer neuen Krankheit.
Dieser Artikel war zuerst am 12. Dezember 2025 in englischer Sprache bei der „Washingtonpost.com“ erschienen – im Zuge einer Kooperation steht er nun in Übersetzung auch den Lesern der IPPEN.MEDIA-Portale zur Verfügung.