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Ultraschallangetriebener Mikroschwimmer Mit dem Hovercraft durch die Blutbahn?

| Autor / Redakteur: Linda Behringer* / Christian Lüttmann

Mikroskopisch kleine Roboter könnten in Zukunft die Medizin auf ein neues Level bringen, etwa durch zielgerichteten Wirkstofftransport. Max-Planck-Forscher haben dazu nun einen verbesserten Mikroschwimmer entwickelt, der wie ein Hovercraft über Oberflächen saust – angetrieben nur von Ultraschall und gesteuert mit einer magnetischen Flosse.

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Schematische Darstellung des Mikroroboters unter Ultraschallanregung
Schematische Darstellung des Mikroroboters unter Ultraschallanregung
(Bild: MPI für Intelligente Systeme)

Stuttgart – Forscher am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) haben einen bolzenförmigen Roboter mit einem Durchmesser von nur 25 Mikrometern entwickelt, der akustisch vorwärts bewegt wird. Ein Geschoss im wahrsten Sinne des Wortes, denn noch nie habe ein so kleiner, mit Ultraschallwellen angetriebener Mikroroboter eine so hohe Geschwindigkeit erreicht, wie die Forscher berichten. Sein Design ist so effizient, dass er sogar die Schwimmfähigkeit natürlicher Mikroorganismen übertrifft.

Schneller und langlebiger

Mikroroboter, die mit Ultraschallwellen angetrieben werden, sind nichts Neues. Jedoch waren bisherige Modelle relativ langsam und ließen sich in der Nähe von Oberflächen nur schwer steuern. Außerdem war nach nur wenigen Minuten Schluss: Sie ließen sich nicht mehr lenken, weil der Druck des Wasser zu groß wurde und es den Hohlraum des Schwimmers vollständig füllte.

Wissenschaftler der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS haben es nun geschafft, die Lenkfähigkeiten ihres Roboters zu verfeinern und gleichzeitig die Betriebszeit auf mehrere Stunden zu erhöhen.

Luftkammer als Antrieb für das Mikro-Hovercraft

Der 3D-gedruckte Mikroroboter aus Polymer ist mit einem runden Hohlraum und einer kleinen röhrenförmigen Öffnung ausgestattet (siehe Abbildung 1). Ist der Roboter umgeben von Flüssigkeit wie z.B. Wasser, kapselt er eine Luftblase ein. Sobald der Roboter Ultraschallwellen von etwa 330 kHz ausgesetzt wird, pulsiert die Luftblase und drückt die Flüssigkeit im Inneren der röhrenförmigen Öffnung in Richtung Ausgang.

Abb.1: Mikroskopische Aufnahme des akustisch angetriebenen Mikroroboters mit einer eingeschlossenen Luftblase im Inneren (l.); 
 durch Simulationen vorhergesagtes akustisches Druckfeld (Mitte); 
 rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des 3D-gedruckten Mikroroboters mit einer spitz zulaufenden Flosse auf der Oberseite (r.).
Abb.1: Mikroskopische Aufnahme des akustisch angetriebenen Mikroroboters mit einer eingeschlossenen Luftblase im Inneren (l.); 
 durch Simulationen vorhergesagtes akustisches Druckfeld (Mitte); 
 rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des 3D-gedruckten Mikroroboters mit einer spitz zulaufenden Flosse auf der Oberseite (r.).
(Bild: MPI für Intelligente Systeme)

Die Bewegung der Flüssigkeit schiebt dann den Schwimmer ziemlich kräftig vorwärts: mit bis zu 90 Körperlängen pro Sekunde gleitet es einem Hovercraft gleich über die Oberfläche. Das ist eine Schubkraft, die zwei bis drei Größenordnungen stärker ist als die von natürlichen Mikroorganismen wie Algen oder Bakterien. Beide gehören zu den effizientesten Mikroschwimmern in der Natur, perfektioniert im Laufe der Evolution.

Mit der Flosse immer auf Kurs

Neben dem Hohlraum und einer Öffnung nach unten haben die Wissenschaftler ihren Roboter mit einer kleinen Flosse versehen (siehe Abbildung 2+3). Sie gibt – ganz nach dem Motto „immer der Nase nach“ – die Schwimmrichtung vor. Außerdem trugen die Forscher eine magnetische Nanofilmschicht auf die Spitze des Roboters auf. Mithilfe externer Magnetfelder konnten sie so die Fahrtrichtung nach links oder rechts bzw oben oder unten ändern.

Abb.2: Wegstrecke, die der Mikroroboter bei einem Ultraschall von 330 kHz zurücklegt
Abb.2: Wegstrecke, die der Mikroroboter bei einem Ultraschall von 330 kHz zurücklegt
(Bild: MPI für Intelligente Systeme)

In mehreren Experimenten testeten die Forscher, wie gut sich ihr Roboter innerhalb einer kleinen Röhre – ähnlich groß wie ein Blutgefäß – bewegen kann. Sie setzten den Roboter akustischen Wellen und einem Magnetfeld aus und es gelang ihnen, den Mikroschwimmer in dem Kanal zu navigieren – unabhängig davon, ob die Oberfläche glatt oder gewellt war.

Die Mikroschwimmer in Aktion zeigen zehn kurze Clips aus der Publikation der Forscher:

Einsammeln und Transportieren von Ladung

Abb.3: Schematische Darstellung eines oberflächengleitenden Mikroroboters unter Ultraschallanregung
Abb.3: Schematische Darstellung eines oberflächengleitenden Mikroroboters unter Ultraschallanregung
(Bild: MPI für Intelligente Systeme)

Die Wissenschaftler zeigten zudem, dass das Einfangen von Ladung, z.B. kleinen Medikamentenpartikeln, automatisch geschieht, während sich der Mikroroboter fortbewegt: Wenn die Flüssigkeit aus dem Hohlraum des Roboters gedrückt wird, während er Ultraschallwellen ausgesetzt ist, erzeugt diese einen kreisförmigen Strudel (siehe Abbildung 3). Dieser sorgt dafür, dass die umgebenden Medikamentenpartikel zum Roboter geführt werden. Dort sammeln sich die Partikel an und werden mitsamt dem Roboter wegtransportiert.

Dank dieser Fähigkeit könnten solche Roboter möglicherweise eines Tages eingesetzt werden, um Krebsmedikamente im Blutstrom zu sammeln und gezielt in Richtung eines Karzinoms zu transportieren. Die Medikamentenpartikel würden dann in unmittelbarer Nähe freigesetzt und so eine maximale Wirkung erzielt werden.

Vision: Einsatz für minimalinvasive Anwendungen

„Wir können unsere Mikroroboter sehr effizient betätigen, und sie sind auch sehr schnell. Ultraschall ist für den Körper harmlos und kann tief in das Innere des Körpers eindringen. Wir können unsere Roboter sowohl auf flachen als auch auf welligen Oberflächen kontrolliert bewegen und wir können Ladung wie z.B. Medikamente fortbewegen“, fasst Dr. Amirreza Aghakhani, ein Postdoc in der Abteilung für Physische Intelligenz und Co-Autor der Publikation, die besonderen Merkmale des Mikroroboters zusammen.

Ein weiterer Vorteil ist die Ultraschallbildgebung. Mit ihrer Hilfe ließe sich der Mikroroboter verhältnismäßig leicht im Körper verfolgen. „Die eingeschlossene Luftblase wirkt als Kontrastmittel. Sie macht den Roboter und seine Position damit besser sichtbar“, erläutert Aghakhani. Die Zukunftsvision der Forscher ist es akustisch angetriebene und magnetisch gesteuerte Mikroroboter im menschlichen Körper für minimalinvasive medizinische Anwendungen einzusetzen.

Originalpublikation: : Amirreza Aghakhani, Oncay Yasa, Paul Wrede and Metin Sitti, Acoustically powered surface-slipping mobile microrobots, PNAS, February 3, 2020; DOI: 10.1073/pnas.1920099117

* L. Behringer, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, 70569 Stuttgart

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