Natürliche Mikroorganismen sind nur einige Mikrometer groß, erfüllen aber eine Vielzahl an Funktionen. Sie können ihre Umgebung wahrnehmen und mit ihr interagieren, sich fortbewegen und flexibel auf Veränderungen reagieren. Von solchen Eigenschaften auf so geringem Raum konnten Roboterwissenschaftler bislang nur träumen. „Bisher maßen die kleinsten Roboter mit vollständig integrierten Systemen für Sensorik, programmierbare Berechnung und Bewegungssteuerung einen Millimeter oder mehr“, berichtet ein Team um Maya Lassiter von der University of Pennsylvania in Philadelphia. Eine weitere Miniaturisierung scheiterte bislang an zahlreichen physikalischen Herausforderungen, unter anderem bei Antrieb, Schaltung und Energieübertragung. Bisherige Mikroroboter machten deshalb Abstriche bei der Programmierbarkeit, Sensorik oder Autonomie und ließen sich beispielsweise nur über externe Systeme steuern.
Winzling mit Ionenantrieb
„Wir haben uns der Herausforderung angenommen, einen Roboter zu bauen, der seine Umgebung wahrnehmen, digital programmierbare Aktionen berechnen und sein Verhalten ändern kann, während er gleichzeitig so klein ist, dass er mit bloßem Auge kaum zu sehen ist“, erklären Lassiter und ihre Kollegen. Zu diesem Zweck entwickelten sie den kleinsten Computer der Welt, den Michigan Micro Mote, so weiter, dass er mit einer Leistung von nur 75 Nanowatt auskommt – 100.000- mal weniger, als eine Smartwatch benötigt. Diese Energie wird durch integrierte Solarzellen zur Verfügung gestellt, die den größten Teil der Fläche des nur 0,2 x 0,3 x 0,05 Millimeter großen Mikroroboters einnehmen.
Auch für den Antrieb mussten die Forschenden neue Wege gehen. Denn für einen Roboter im Mikromaßstab sind Widerstand und Viskosität des Wassers so hoch, als würde er durch Teer schwimmen. Winzige Propeller oder Schwimmärmchen kämen dagegen nicht an. Stattdessen setzten die Forschenden auf einen Ionenantrieb. Dabei erzeugt der Roboter ein elektrisches Feld, das die Ionen in der umgebenden Flüssigkeit anstößt und auf diese Weise auch die nahegelegenen Wassermoleküle in Bewegung versetzt. Auf diese Weise entsteht eine winzige Strömung, die den Roboter in die gewünschte Richtung bringt. Der Verzicht auf einen mechanischen Antrieb bietet zudem einen weiteren Vorteil: Da es keine beweglichen Teile gibt, sind die Roboter besonders langlebig. Sie können sich monatelang autonom in einer Flüssigkeit bewegen und bei Bedarf mit einer Mikropipette aufgesaugt werden, ohne dabei Schaden zu nehmen.
