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Reise durch den menschlichen Körper: Forscher entwickeln zellgroßen und autonomen Roboter

Forscher am MIT haben die vielleicht kleinsten Roboter entwickelt, die ihre Umgebung erfassen, Daten speichern und sogar Rechenaufgaben ausführen können. Diese haben etwa die Größe einer menschlichen Eizelle und sind aus winzigen Teilchen, den sogenannten Kolloiden aufgebaut.

Die zellgroßen Roboter können Flüssigkeiten oder Luft frei schweben (Illustration/MIT) Bildquelle: © (Illustration/MIT)

Die zellgroßen Roboter können Flüssigkeiten oder Luft frei schweben (Illustration/MIT)

Kolloide sind unlösliche Teilchen oder Tröpfchen, die in einem  Dispersionsmedium (Feststoff, Gas oder Flüssigkeit) fein verteilt sind. Aufgrund ihrer geringen Größe – von einem Milliardstel bis zu einem Millionstel Meter – können sich im Medium unbegrenzt fortbewegen. Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben Kolloide auf komplexe Schaltkreise aufgetragen, um so den Grundstein für »diagnostische Reisen« durch das menschliche Verdauungssystem zu legen. Weitere »Reiseziele« sind aber auch denkbar, zum Beispiel Öl- und Gaspipelines oder die Luft, um die Verbindungen innerhalb eines chemischen Prozessors zu messen.

»Kolloide können auf Umgebungen zugreifen und reisen, wie es andere Materialien nicht können«, erklärt Michael Strano, Professor für Chemical Engineering am MIT. Staubpartikel beispielsweise können unbegrenzt in der Luft schweben, weil sie so klein sind, dass die zufälligen Bewegungen, die durch kollidierende Luftmoleküle hervorgerufen werden, stärker sind als die Anziehungskraft der Schwerkraft. Darüber hinaus setzten sich die Teilchen in Flüssigkeiten niemals ab. Stranos Schwerpunkt im Projekt lag auf der Entwicklung der potentiellen Bewegungssteuerung, zum Beispiel durch Replikation der schwanzartigen Flagellen, mit denen sich einige Mikroorganismen selbst antreiben. Allerdings ist das für Strano nicht unbedingt der beste Ansatz, da Flagellen und andere zelluläre Bewegungssysteme in erster Linie für die lokale Positionierung und nicht für signifikante Bewegungen verwendet werden. Für die meisten Zwecke sei es wichtiger, die Geräte funktioneller zu machen, statt sie mobiler zu machen.

Die zellgroßen Roboter des MIT-Teams sind autark und benötigen keine externe Stromquelle oder gar eine interne Batterien. Eine einfache Fotodiode liefert den Strom, den die winzigen Schaltungen benötigen, um ihre Rechen- und Speicherschaltungen zu betreiben. Das ist genug, um Informationen über ihre Umgebung zu erfassen, diese in ihrem Speicher zu speichern und sie später nach Erfüllung ihrer Mission auszulesen.

Autonome Nanoteilchen

Die Roboter könnten unter anderem in der Medizin für diagnostische Zwecke im Körper zum Einsatz kommen, indem sie zum Beispiel im Verdauungstrakt nach Anzeichen für Entzündungen oder anderen Krankheitsindikatoren suchen. Die meisten herkömmlichen Mikrochips, wie zum Beispiel Silizium oder CMOS, haben ein flaches, steifes Substrat und würden nicht richtig funktionieren, wenn sie an Kolloiden befestigt werden, die während der Fahrt durch die Umgebung komplexen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Zudem seien sie sehr »energiehungrig«. Deshalb entschieden sich die Forscher am MIT, zweidimensionale elektronische Materialien wie Graphen und Übergangsmetalldichalkogenide auszuprobieren. Sie lassen sich nicht nur auf kolloiden Oberflächen anbringen, sondern bleiben auch nach dem Start in die Luft oder ins Wasser funktionsfähig. Weiterer Vorteil: Sie benötigen nur geringe Mengen an Energie. » Sie könnten mit Unterspannung im Nanowatt-Bereich betrieben werden«, sagt Postdoktorand Volodymyr Koman.

Und warum nicht einfach nur die 2-D-Elektronik nutzen? Ohne Trägermaterial sind die winzigen Materialien zu zerbrechlich, um sie zusammenzuhalten und zu nutzen. »Sie können ohne Substrat nicht existieren«, sagt Strano. Damit sie eine mechanische Steifigkeit erhalten und auch groß genug sind, um in den Fluss mitgenommen werden, sei es unumgänglich sie auf zu tropfen. Aber die 2-D-Materialien »sind stark genug, robust genug, um ihre Funktionalität auch auf unkonventionellen Substraten zu erhalten«, sagt Koman.

Die so hergestellten Nanobauteile sind autonome Teilchen, die Elektronik zur Stromerzeugung, Berechnung, Logik und Speicherung enthalten. Sie werden durch Licht angetrieben und enthalten winzige Retroreflektoren, die es ermöglichen, sie nach ihrer Reise leicht zu lokalisieren. Sie können dann durch Sonden abgefragt werden, um ihre Daten zu liefern. In der laufenden Arbeit hofft das Team, die Kommunikationsfähigkeiten zu erweitern, damit die Partikel ihre Daten ohne physischen Kontakt liefern können. (me)

Optische Bilder zeigen Schaltungen des Forscherteams, die an nur wenige hundert Nanometer großen Partikeln befestigt sind. Bildquelle: © MIT

Optische Bilder zeigen Schaltungen des Forscherteams, die an nur wenige hundert Nanometer großen Partikeln befestigt sind.