Robotik

Winzige Roboter mit großer Wirkung

Forschende der ETH Zürich haben eine Methode zur Herstellung von Mikrometer kleinen Maschinen entwickelt. Diese Mikroroboter sollen die Medizin revolutionieren.

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Computergrafik eines Mikrovehikels mit Eisenrädern (goldfarben) und einer Polymer-​Chassis (rot). Das Vehikel ist 0,25 Millimeter lang.

Roboter, so winzig, dass sie sich durch unsere Blutgefäße bewegen und Medikamente im Körper an bestimmte Stellen bringen – das ist ein Forschungsziel, das Wissenschaftler seit Jahren verfolgen. Forschenden der ETH Zürich ist es nun gelungen, erstmals solche „Mikromaschinen“ zu bauen. Sie bestehen aus Metall und Kunststoff und die Materialien sind so miteinander verknüpft wie die Glieder einer Kette. Möglich ist dies dank einer von ihnen entwickelten neuen Herstellungstechnik.

„Metalle und Polymere haben unterschiedliche Eigenschaften, und beide Materialien bieten Vorzüge beim Bau von Mikromaschinen. Um alle diese Eigenschaften gleichzeitig nutzen zu können, wollten wir die beiden Materialien kombinieren“, erklärt Carlos Alcântara, ehemaliger Doktorand in der Gruppe von Salvador Pané am Institut für Robotik und Intelligente Systeme.

In der Regel werden Mikromaschinen von außerhalb des Körpers mit Magnetfeldern angetrieben. Dazu müssen in die Mikromaschinen magnetische Metallteile eingebaut werden. Polymere wiederum haben den Vorteil, dass sich damit weiche und bewegliche Teile konstruieren lassen oder solche, die sich im Körperinnern auflösen. Werden Medikamente in solche auflösbaren Polymere eingebettet, lassen sich an bestimmten Körperstellen gezielt Wirkstoffe freisetzen.

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Einsatz der 3D-Lithographie

Die neue Herstellungsmethode basiert auf der Expertise von ETH-​Professor Salvador Pané. Er arbeitet schon seit Jahren mit einer hochpräzisen 3D-Drucktechnik, mit der sich komplexe Gegenstände im Mikrometermaßstab herstellen lassen: der 3D-​Lithographie. Die ETH-​Wissenschaftler haben mit dieser Technik für ihre Mikromaschinen Gussformen hergestellt. Diese haben dünne Kanäle, die als Negativ dienen und mit dem entsprechenden Material gefüllt werden. Mittels elektrochemischer Abscheidung füllen die Ingenieure die einen Kanäle mit Metall, die anderen mit Polymeren aus. Schließlich wird die Gussform mit Lösungsmitteln aufgelöst.

Vehikel mit magnetischen Rädchen

Als Machbarkeitsnachweis von ineinander verwobenen Mikromaschinen stellten die ETH-​Ingenieure verschiedene winzige Vehikel mit Kunststoff-​Chassis und magnetischen Metallrädern her, die sich über ein rotierendes Magnetfeld antreiben lassen. Darunter sind solche, die sich auf einer Glasoberfläche fortbewegen lassen, und andere, die – je nach verwendetem Polymer – in Flüssigkeit oder an einer Flüssigkeitsoberfläche schwimmen können.

Die Wissenschaftler wollen ihre Zwei-​Komponenten-Mikromaschinen nun weiterentwickeln und mit weiteren Materialien experimentieren. Außerdem soll versucht werden, komplexere Formen und Maschinen herzustellen, auch solche, die sich zusammenfalten und auffalten können. Neben wirkstoffausschüttenden Fähren gehören zu künftigen Anwendungsmöglichkeiten Mikromaschinen, mit denen Aneurysmen (Blutgefäßausbuchtungen) behandelt oder andere Operationen durchgeführt werden können. Ein weiteres Forschungsziel sind auffaltbare Stents (röhrenförmige Gefäßstützen), die mit Magnetfeldern an den gewünschten Ort gebracht im Körper werden können.