Flieg, Mikromaschinenvogel, flieg!
Forschende der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts PSI haben eine Mikromaschine in Form eines Vogels entwickelt. Dank magnetisch programmierter Nanomagnete kann dieser Mikroroboter in einem Magnetfeld verschiedene Man?ver ?fliegen? - und vielleicht dereinst im menschlichen K?rper kleine Operationen durchführen.
Er misst nur wenige Mikrometer (wenige millionstel Meter) und erinnert an einen Origamivogel. Doch anders als die Faltkunstgebilde aus Papier bewegt sich dieser Roboter wie von Geisterhand, ohne dass eine sichtbare Kraft auf ihn einwirkt. Er schl?gt mit den Flügeln, krümmt seinen Hals und zieht seinen Kopf ein. M?glich sind diese Aktionen durch Magnetismus.
Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben die Mikromaschine unter anderem aus Materialien zusammengesetzt, die kleine Nanomagnete enthalten. Die Wissenschaftler unter der Leitung von Laura Heyderman, die das gemeinsame Institut für Mesoskopische Systeme führt, haben diese Nanomagnete so programmiert, dass sie eine bestimmte magnetische Ausrichtung annehmen. Wenn die programmierten Nanomagnete dann einem Magnetfeld ausgesetzt werden, wirken spezifische Kr?fte auf sie.
Befinden sich diese Magnete in den flexiblen Bauteilen des Origamivogels, dann führen die auf sie wirkenden Kr?fte zu einer Bewegung. Die Nanomagnete lassen sich immer wieder neu programmieren. Das führt zu jeweils unterschiedlichen Kr?ften, die auf die Konstruktion wirken, und neuen Bewegungen. Ihre Ergebnisse ver?ffentlichen die Forschenden soeben im Wissenschaftsmagazin ?Nature?.
Nanomagnete programmieren
Für den Bau des Mikroroboters platzierten die Forschenden Reihen von Kobaltmagneten auf dünnen Schichten von Siliziumnitrid. Der Vogel aus diesem Material konnte verschiedene Bewegungen ausführen, beispielsweise flattern, rütteln, sich umdrehen oder zur Seite gleiten.
?Diese Bewegungen des Mikroroboters spielen sich im Bereich von Millisekunden ab?, sagt Heyderman. ?Das Programmieren der Nanomagnete geschieht dagegen innerhalb weniger Nanosekunden.? Das erm?glicht es, unterschiedliche Bewegungen zu programmieren. Bezogen auf das Modell des Mikrovogels bedeutet das, dass man ihn beispielsweise zun?chst flattern, anschliessend zur Seite gleiten und dann wieder flattern lassen kann. ?Wenn n?tig, k?nnte man ihn dazwischen auch mal rütteln lassen?, sagt Heyderman.
Intelligente Mikroroboter
Dieses neuartige Konzept ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Mikro- und Nanorobotern, die nicht nur Informationen für eine einzelne bestimmte Aktion speichern, sondern immer wieder neu programmiert werden k?nnen, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen. ?Es ist vorstellbar, dass in der Zukunft eine autonome Mikromaschine durch menschliche Blutgef?sse navigiert und biomedizinische Aufgaben wie das Abt?ten von Krebszellen übernimmt?, erkl?rt Bradley Nelson, Leiter des Instituts für Robotik und Intelligente Systeme der ETH Zürich, dessen Labor Knowhow beisteuerte. Denkbar seien auch Einsatzgebiete wie flexible Mikroelektronik oder Mikrolinsen, die ihre optischen Eigenschaften ver?ndern.
Darüber hinaus sind Anwendungen m?glich, bei denen sich die Eigenarten von Oberfl?chen ver?ndern. ?Beispielsweise k?nnten damit Oberfl?chen geschaffen werden, die je nach Bedarf entweder von Wasser benetzt werden k?nnen oder Wasser abweisen?, sagt Jizhai Cui, Ingenieur und Forscher im Labor für Mesoskopische Systeme von Laura Heyderman am PSI.
Dieser Text beruht auf einer externe Seite Medienmitteilung des Paul Scherrer Institut PSI.
Literaturhinweis
Cui J, Huang T-Y, Luo Z, Testa P, Gu H, Chen X-Z, Nelson BJ, Heyderman LJ. Nanomagnetic Encoding of Shape-morphing Micromachines. Nature, published online Nov 11, 2019. DOI: externe Seite 10.1038/s41586-019-1713-2