Winzige Federn lassen Mikroroboter lebendig werden
Sie heben Gewichte von weniger als einem Millionstel Milligramm, sollen aber schon bald eine tragende Rolle bei verschiedenen medizinischen Anwendungen spielen. Wie das mit den Pikonewton-Federn funktionieren soll, beschreiben Forschende im Fachjournal „Nature Nanotechnology“.
Operationen werden immer häufiger minimalinvasiv durchgeführt, winzig kleine Mikroroboter können die Medizin dabei revolutionieren.
Foto: Panthermedia.net/wedmov
Minimalinvasive Verfahren spielen in der Medizin eine immer wichtigere Rolle, ebenso stehen lebende Technologien in den Startlöchern. Dafür braucht es entsprechend winzige Geräte, die in solch kleine Dimensionen vorstoßen können. Federn spielen hierbei eine wichtige Rolle, so wie bei anderen mechanischen Geräten – wie zum Beispiel bei Uhren. Dort sind sie bereits seit Hunderten von Jahren eine Schlüsseltechnologie. Für die winzigen medizinischen Geräte braucht es noch winzigere Federn. Wie sich diese an beliebigen Stellen in weiche dreidimensionale Strukturen integrieren lassen, damit haben sich Forscherinnen und Forscher der Technischen Universität Chemnitz (TUC), des Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden befasst.
Der Hintergrund
Die Entwicklung mechanischer Gedächtniselemente, wie Federn, ist seit Jahrhunderten für mechanische Geräte wie Uhren essenziell, um komplexe Bewegungen zu ermöglichen. Diese Technologie, einst für große Mechanismen verwendet, hat in der modernen, siliziumbasierten Mikrotechnologie zu einer Revolution in der Herstellung planarer, massenproduzierter mechatronischer Geräte geführt, von denen wir täglich profitieren – beispielsweise in Airbag-Sensoren.
In der Biomedizin, die zunehmend weniger invasive Methoden anstrebt, gewinnt die Mikroskala, vergleichbar mit der Größe einzelner Zellen, an Bedeutung. Zukünftige Mikrogeräte, die sicher mit einzelnen Zellen interagieren können, müssen deutlich kleiner sein (circa zehn Mikrometer), in angepassten dreidimensionalen Formen gefertigt werden und mit extrem geringen Kräften im Pikonewton-Bereich arbeiten, um Gewichte im Bereich von weniger als einem Millionstel Milligramm heben zu können.
Mikrogreifer mit eingebauter Pikonewton-Feder. Der Mikrogreifer öffnet und schließt sich durch Änderung der Stärke eines magnetischen Feldes.
Foto: TUC/Jacob Müller
Ferngesteuerte Pikofedern
In der aktuellen Studie demonstriert das Forschungsteam aus Chemnitz, Dresden und China die Integration steuerbarer Nano-Federn in weiche dreidimensionale Strukturen mittels konfokaler Photolithographie. Dieses Verfahren erreicht eine Nanometer-genaue Platzierung. Zum Einsatz kommt dabei ein innovativer, magnetisch aktiver Fotolack, angereichert mit magnetischen Nanopartikeln.
Die so entstandenen „Pikofedern“ zeichnen sich durch ihre große, anpassbare Beweglichkeit aus. Sie lassen sich mittels Magnetfeldern fernsteuern, sogar tief im menschlichen Körper. Diese Technologie ermöglicht fortschrittliche Gelenkbewegungen bei Mikrorobotern und präzise Mikromanipulationen, die deutlich über den bisherigen Stand der Technik hinausgehen.
„Mikropinguin“ mit Pikonewton-Flossen schwimmt durch eine Flüssigkeit.
Foto: TUC/Jacob Müller
Vielfältiges Können
Die Pikofedern ermöglichen nicht nur die visuelle Messung kleiner Kräfte, wie Antriebs- oder Greifkräfte, sondern sind auch bei der Interaktion mit winzigen Objekten wie Zellen einsetzbar. Ihre Einsatzmöglichkeiten reichen von der Messung der Antriebskraft von Mikromotoren bis hin zur Fortbewegung von Zellen, etwa Spermien.
In der Studie werden verschiedene Anwendungen der Pikofedern detailliert erläutert. Diese umfassen Bewegungen auf zellulärer Ebene wie zum Beispiel schwimmen oder gehen, das Greifen und Loslassen von Zellen sowie die präzise Messung und Anwendung winziger Kräfte.
Wichtiger Schritt in Richtung lebensfähiger Mikrorobotik
Wissenschaftlicher Direktor des MAIN Forschungszentrums an der Technischen Universität Chemnitz, betont die Bedeutung dieser Forschung für die Entwicklung einer lebensfähigen, weichen und intelligenten modularen Mikrorobotik. Er hebt hervor, dass ferngesteuerte Mikrogeräte, die magnetische Felder nutzen, besonders für nicht-invasive medizinische Anwendungen vielversprechend sind. Diese Technologie erlaubt nun auch die Integration mechanischer Komponenten, wie Schmidt erklärt.
Prof. John McCaskill, Ko-Autor der Studie und Mitglied im MAIN Forschungszentrum sowie Gründungsdirektor des Europäischen Zentrums für Lebende Technologien, sieht in der Möglichkeit, mikroskopische Einbaufedern zu nutzen, eine Erweiterung der Kompetenzen der TU Chemnitz im Bereich der mikroelektronischen Morphogenese und des künstlichen Lebens.
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