Elastischer Miniroboter nach dem Vorbild der Natur

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme haben einen magnetisch gesteuerten, vier Millimeter kleinen Roboter entwickelt, der durch unwegsames Terrain laufen, krabbeln und rollen, kleine Lasten tragen sowie auf und in Flüssigkeit schwimmen kann. Inspiration holen sich die Forscher aus der Natur: Käferlarven, Raupen und sogar Quallen standen Modell. Eines Tages, so hoffen die Wissenschaftler, könnte der Milliroboter minimalinvasiv gezielt Medikamente dorthin transportieren, wo sie gebraucht werden. Seine vielfältigen Fortbewegungsmöglichkeiten machen ihn so einzigartig, dass das Fachjournal Nature das Forschungsprojekt in seiner aktuellen Ausgabe veröffentlichen wird.    

Es ist die Beweglichkeit, die diesen Roboter auszeichnet. Mit Leichtigkeit bewegt er sich in seiner komplexen Umwelt – ob auf einer Oberfläche oder in einer Flüssigkeit – fort. Vier Millimeter ist er klein, flach wie ein rechteckiges Blatt Papier und aus weichem, elastischem Polymer geformt. Während bisherige Kleinstroboter nur eingeschränkt von der Stelle kommen, und vor allem auf unwegsamem Terrain an ihre Grenzen stoßen, kann dieser Roboter ganz leicht von einem Fortbewegungsmodus zum anderen wechseln. Zudem ist er in der Lage, kleine Lasten aufzuheben, zu transportieren und anderswo abzulegen. Er kann sich dabei so frei bewegen wie eine Raupe.

„Wir schauen uns beim Bau von Robotern die Mechanik beim Bewegungsablauf zum Beispiel von Insekten an und lassen uns davon inspirieren. Das Ergebnis bei unserem Milliroboter ist eine Mischung aus mehreren weichen Lebewesen wie Käferlarven und Raupen, aber auch ein Spermatozoid und eine Qualle standen Modell“, sagt Metin Sitti, Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Die vielseitige Beweglichkeit dieses weichen Kleinstroboters ist so einzigartig, dass das angesehene Fachjournal Nature das Forschungsprojekt in seiner aktuellen Ausgabe veröffentlichen wird.

Um den Roboter zu steuern, verwenden die Wissenschaftler ein externes Magnetfeld. In der Polymerschicht des Roboters wiederum sind magnetische Partikel eingebettet, ähnlich wie Rosinen in einen Kuchenteig. So können die Forscher die Form des Roboters von außen verändern und er sich fortbewegen: er kann auf Oberflächen laufen oder rollen, über Hindernisse springen, durch enge Röhren krabbeln und auf oder in einer Flüssigkeit schwimmen. Zudem kann er Objekte greifen, transportieren und zielgerichtet ablegen. „Uns schwebt vor, dass unser Milliroboter eines Tages Medikamente dorthin transportiert, wo sie gebraucht werden – ähnlich einer Paketlieferung an die Haustür“, hofft Metin Sitti. „Wir wollen ihn bei minimalinvasiven Eingriffen am Patienten einsetzen: entweder, indem der Patient den Roboter schluckt oder wir ihn durch eine kleine Öffnung in der Haut in den Körper einführen. Von dort kann sich der Roboter dann durch den Verdauungstrakt bewegen oder durch die Blase, oder bis zum Herz – uns schweben viele Möglichkeiten vor.“

Die Forschung an mobilen Kleinstrobotern, die in der Zukunft in der Medizin zum Einsatz kommen könnten, nimmt in der Abteilung für Physische Intelligenz eine zentrale Rolle ein. Viele der Forschungsprojekte Sittis und seines Teams befassen sich mit neuartigen und intelligenten Milli- oder gar Mikrorobotern für mögliche medizinische Anwendungen.

Es sind noch große Herausforderungen zu bewältigen, bis solche Systeme in der Medizin geläufig sein könnten. Aktuell testeten die Forscher den Milliroboter nur in einer synthetischen Magenattrappe und in Hühnchenfleischgewebe. Sittis Team, bestehend aus Wenqi Hu, Guo Zhan Lum und Massimo Mastrangeli, gelang es, den Milliroboter durch diese Umgebung zu steuern. Mit Ultraschall überprüften sie, wo genau der Roboter sich seinen Weg bahnte.

Die Hoffnung ist bei allen Forschern groß, dass ihr Roboter eines Tages zum Standard im Gesundheitswesen wird, dass nicht-kabelgebundene, mobile Roboter eine Revolution der Forschung im Bereich der minimalinvasiven Chirurgie einläuten werden. Mittels solcher Milliroboter hätte ein Chirurg nämlich direkten Zugang und die genaue Kontrolle in schwer zugänglichen Bereichen des Körpers. „Ohne chirurgischen Eingriff ist es in vielen Bereichen des Körpers aktuell nicht möglich, sich Zugang zu verschaffen. Unser Ziel ist es, mit unserem weichen Milliroboter diese Regionen nicht-invasiv erreichbar zu machen, um eine Diagnose erstellen und eine Therapie vornehmen zu können“, ist Sittis Zukunftsvision.

Wenqi Hu, Guo Zhan Lum, Massimo Mastrangeli und Metin Sitti, Small-scale soft-bodied robot with multimodal locomotion, Nature, 24 January 2018, doi:10.1038/nature25443

Guido Deußing