Winzige Roboter erzeugen Wirbel – und bewegen Objekte 45.000-mal schwerer als sie selbst

Mikroroboter spielen in der Medizin und in der hochpräzisen Fertigung seit Jahren eine wichtige Rolle. Doch sobald winzige Systeme etwas greifen oder verschieben, entsteht Druck. Bei empfindlichem Gewebe oder filigranen Mikrobauteilen kann das Schäden verursachen. In Science Advances berichten Forscher aus Stuttgart, Michigan und Cornell nun von einem Ansatz, der ohne Berührung auskommt. Sie übertragen Kräfte im Mikrobereich mithilfe gezielt erzeugter Strömungen in einer Flüssigkeit.

Dafür arbeiten viele Einheiten zusammen. Ein Mikroroboter-Schwarm, dessen einzelne Bestandteile kaum größer als ein Salzkorn sind, rotiert in einem Magnetfeld. Dabei entstehen kleine Wirbel im Wasser. Treffen zahlreiche dieser Strömungen aufeinander, entsteht ein messbares Drehmoment. Es reicht aus, um Zahnräder anzutreiben oder dreidimensionale Körper zu drehen, die mehr als 45.000-mal schwerer sind als ein einzelner Roboter.

Präzise Wirbel ersetzen mechanischen Kontakt

Jeder der eingesetzten Mikroroboter misst rund 300 Mikrometer im Durchmesser, also 0,3 Millimeter. Ein externes Magnetfeld versetzt die winzigen Scheiben in Rotation. So entsteht das Strömungsdrehmoment, das sich experimentell messen lässt. Gemeint ist eine Kraftübertragung ohne direkten Kontakt. Das gemessene maximale Drehmoment erreichte bis zu 3,6 × 10⁻⁹ Newtonmeter. Im Alltag wirkt diese Zahl gering. Im Mikromaßstab bedeutet sie ausreichend Energie, um reale mechanische Arbeit zu leisten.

„Strömungsdrehmoment bietet einen grundlegend neuen Weg, empfindliche Objekte von nur wenigen Millimetern Größe zu manipulieren“, sagt Gaurav Gardi vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme. Entscheidend sei, dass die Kraft nicht durch Drücken oder Ziehen entsteht, sondern durch kontrollierte Bewegung der Flüssigkeit.

45.000-fache Last im Belastungstest

Besonders eindrucksvoll geriet ein Experiment mit einem 3D-Körper. 13 Mikroroboter arbeiteten in einer dünnen Flüssigkeitsschicht auf dem Objekt. Bei einer Magnetfeldfrequenz von 70 Hertz drehten sie den Körper mit bis zu vier Grad pro Sekunde. Der Testkörper übertraf das Gewicht eines einzelnen Roboters um ein Vielfaches.

Auch klassische Mechanik ließ sich im Miniaturformat nachbilden. Ein Zahnrad mit eingebettetem Roboter-Kollektiv setzte ein zweites Zahnrad in Bewegung. Je nach Anordnung drehten sich die Ringe gleichläufig oder gegenläufig. Die Geschwindigkeit stieg linear mit der Frequenz des Magnetfelds. Mehr Roboter verstärkten die Wirkung zusätzlich.

Steven Ceron von der University of Michigan beschreibt den Ansatz so: „Hydrodynamischer Widerstand war schon früher wichtig für das Verhalten von Mikroroboter-Kollektiven. Hier nutzen wir diese flüssigkeitsvermittelten Wechselwirkungen, um Objekte aus der Distanz zu steuern.“

Drei Faktoren bestimmen Tempo und Drehrichtung

Wie stark sich ein Objekt bewegt, hängt von drei Stellschrauben ab:

• Anzahl der Mikroroboter: Mehr Einheiten verstärken die überlagerten Strömungen.
• Rotationsfrequenz: Mit steigender Magnetfeldfrequenz wachsen Drehmoment und Geschwindigkeit messbar an.
• Räumliche Anordnung: Sitzen die Roboter innerhalb eines Rings, dreht er sich anders als bei einer Position außerhalb.

Die Versuche zeigen: Die Rotationsgeschwindigkeit steigt proportional zur Frequenz und zur Zahl der Roboter. Die Bewegung folgt damit klar berechenbaren Mustern.

Vom Rotieren zum „Kriechen“

Neben reiner Rotation entdeckte das Team ein weiteres Verhaltensmuster. Bei niedrigen Frequenzen bildeten die Roboter dichte Cluster. Diese bewegten sich entlang der Oberfläche eines Objekts, ähnlich einer kriechenden Einheit. Bei höheren Frequenzen verteilte sich das Kollektiv gleichmäßig um den Körper und erzeugte eine symmetrische Drehbewegung.

Form und Struktur des Zielobjekts spielten ebenfalls eine Rolle. Kreisförmige Körper rotierten schneller als gezahnte oder längliche Formen. Unregelmäßige Kanten beeinflussten die Verteilung der Roboter und damit die Kraftübertragung.

1.000 Roboter manipulieren mehrere Objekte

In einem weiteren Versuchsaufbau setzte das Team 1.000 Mikroroboter in einer rechteckigen Arena ein. Zwischen ihnen lagen 20 runde Partikel mit einem Durchmesser von einem Millimeter. Bei einer niedrigen Frequenz von fünf Hertz blieben die Roboter kompakt. Die größeren Partikel wanderten an den Rand des Schwarms.

Erhöhte das Team die Frequenz auf 70 Hertz, verstärkten sich die Strömungen deutlich. Die Roboter verteilten sich in der Fläche, und die Partikel wurden im gesamten Areal verteilt. Diese Fähigkeit, mehrere Objekte gleichzeitig zu bewegen oder neu anzuordnen, eröffnet neue Möglichkeiten für parallele Prozesse im Mikromaßstab.

Perspektiven für Medizin und Fertigung

Kontaktlose Manipulation reduziert mechanische Belastung. Das kann bei empfindlichen Bauteilen entscheidend sein. In der Mikroelektronik ließen sich Komponenten präziser montieren. Auch in der Biomedizin entstehen neue Optionen. Flüssige Umgebungen wie Blut oder Gewebeflüssigkeit ähneln den Bedingungen im Labor. Dort könnten gezielte Strömungen Wirkstoffträger bewegen oder winzige Implantate ausrichten.

Metin Sitti, früher Leiter der Abteilung Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut, formuliert es so: „Indem wir Strömungsdrehmoment verstehen und kontrollieren, bewegen wir uns hin zu programmierbaren Mikroroboter-Systemen, die komplexe, koordinierte Aufgaben übernehmen können.“

Kurz zusammengefasst:

• Winzige Roboter, nur 0,3 Millimeter groß, werden mit einem Magnetfeld in Drehung versetzt und erzeugen dabei kleine Wasserwirbel – diese Wirbel übertragen Kraft ganz ohne Berührung.
• Arbeiten viele dieser Roboter zusammen, können sie Zahnräder drehen und sogar Objekte bewegen, die mehr als 45.000-mal schwerer sind als ein einzelner Mini-Roboter.
• Je schneller sich die Roboter drehen und je mehr eingesetzt werden, desto stärker wirkt die Kraft – ein Prinzip, das künftig empfindliche Bauteile oder medizinische Anwendungen schonender machen könnte.

Übrigens: Während ein Mikroroboter-Schwarm Objekte über Wirbel bewegt, arbeiten Forscher nun an autonomen Mini-Robotern unter einem Millimeter Größe, die selbst messen, entscheiden und reagieren – mit eigenem Chip und nur 100 Nanowatt Stromverbrauch. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © MPI-IS