04. Dez. 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Das Konzept der Mikroroboter hat sich erheblich weiterentwickelt, seit der Physiker Richard Feynman in den 1950er Jahren erstmals das Potenzial winziger Maschinen erkannte. Die frühen Prototypen von Mikrorobotern mit ihren starren Körpern standen vor erheblichen Herausforderungen bei der Navigation in komplexen biologischen und industriellen Umgebungen, ohne Schaden anzurichten. Dies führte zu einem entscheidenden Wandel hin zur Entwicklung weicher, verformbarer Mikroroboter unter Verwendung adaptiver Materialien, die besser mit ihrer Zielumgebung kompatibel sind. In den letzten Jahren kam es auf dem Gebiet der weichen Mikrorobotik zu rasanten Innovationen, insbesondere in den Bereichen, die als „die drei Eckpfeiler weicher Mikroroboter“ bekannt sind – Materialien, Herstellung und Betätigung. Diese Entwicklungen wurden durch interdisziplinäre Zusammenarbeit in den Bereichen Mikrotechnik, Materialwissenschaften und Robotik vorangetrieben und kommen der Verwirklichung von Feynmans Vision näher. Ein aktueller Übersichtsartikel in Fortschrittliche intelligente Systeme („Ein Überblick über weiche Mikroroboter: Material, Herstellung und
Betätigung") befasst sich mit den neuesten Fortschritten in der weichen Mikrorobotik und konzentriert sich dabei auf deren Materialzusammensetzung, Herstellungsmethoden und Betätigungstechniken, die gemeinsam ihre Funktionalität und Wirksamkeit prägen. Drei Eckpfeiler (Material, Herstellung und Betätigung), Kategorien und Anwendungen weicher Mikroroboter. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) (zum Vergrößern auf das Bild klicken)

Materialien: Die Grundlage der weichen Mikrorobotik

Der Durchbruch in der weichen Mikrorobotik hängt weitgehend von der Entwicklung weicher Biomaterialien ab, die ideale Eigenschaften wie biologische Abbaubarkeit, einstellbare Elastizität und Reaktionsfähigkeit auf Umweltreize wie Licht, Temperatur oder Chemikalien besitzen. Zu diesen Materialien gehören fortschrittliche Polymere und Hydrogele, die als Reaktion auf bestimmte Bedingungen ihre Form oder ihr Verhalten ändern können, was sie ideal für komplexe Aufgaben in empfindlichen Umgebungen macht.

Herstellungstechniken: Handwerkliche Raffinesse

Fortschritte bei Herstellungstechniken wie der Zwei-Photonen-Lithographie haben den Übergang von flachen, einschichtigen Mikrorobotern zu vollständig dreidimensionalen mobilen Strukturen ermöglicht. Diese hochentwickelten Herstellungsmethoden haben die Entwicklung von Mikrorobotern mit komplizierten Merkmalen ermöglicht, darunter poröse interne Laderäume für die Medikamentenabgabe, gelenkige Gliedmaßen für präzise Bewegungen und sogar spiralförmige Propeller zum Schwimmen durch viskose Medien. Häufig verwendete Kombination zwischen Materialien und Herstellungsmethoden. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags)

Betätigung und Steuerung: Mikroroboter zum Leben erwecken

Die Betätigung und Steuerung weicher Mikroroboter hat erhebliche Verbesserungen erfahren, wobei Techniken wie rotierende Magnetfelder die Fernsteuerung von Geräten in flüssigen Umgebungen ermöglichen, die an die Bewegung von Bakterien erinnern. (Hydrogele Es wurden auch Roboter mit Nahinfrarot-Betätigungsfunktionen entwickelt, die eine präzise Steuerung der Form und Bewegung der Mikroroboter ermöglichen. Viele neu geschaffene weiche Biomaterialien verfügen mittlerweile über ideale Eigenschaften, von biologischer Abbaubarkeit – langsamer Abbau im Körperinneren – bis hin zu einstellbarer Elastizität und Formänderungsverhalten als Reaktion auf Licht, Temperatur oder chemische Reize. Zwei-Photonen-Lithographie und andere Herstellungsmethoden im Mikromaßstab erleichterten auch den Übergang von flachen einschichtigen Mikrorobotern zu vollständig dreidimensionalen mobilen Architekturen mit noch nie dagewesener Komplexität, einschließlich poröser interner Frachträume, gelenkiger Gliedmaßen zum Greifen von Objekten und spiralförmigen Propellern zum „Schwimmen“. ” durch viskose Medien. Die Herstellung solch komplizierter beweglicher Teile auf Polymerbasis erweiterte die Fähigkeiten weicher Mikroroboter exponentiell und behielt gleichzeitig einen winzigen Platzbedarf im Submillimeterbereich bei. Diese Hardware-Fortschritte gepaart mit verbesserten externen Führungstechniken ermöglichen den Transport, die Neupositionierung und die Verfolgung weicher Mikroroboter in Echtzeit. Rotierende Magnetfelder können nun Geräte aus der Ferne entlang von Flugbahnen steuern, die an Bakterien in dichten Körperflüssigkeiten und Geweben erinnern. Maßgeschneiderte Hydrogele unterliegen einer „Nahinfrarot-Aktivierung“ und schrumpfen oder dehnen sich je nach Wunsch, wenn sie in bestimmte Infrarotwellenlängen gebadet werden. Während sich Soft-Mikroroboter-Technologien an mehreren Fronten weiterentwickelten, erwiesen sich die Forscher als bemerkenswert geschickt darin, ihre Funktion zur Lösung komplexer Probleme zu koordinieren. Biologisch abbaubare, mit Medikamenten beladene Mikromaschinen können nun erkranktes Gewebe angreifen, bevor sie therapeutische Wirkstoffe freisetzen und sich sicher auflösen. Andere Teams banden Bakterien selektiv an Mikrokügelchen und schufen Biohybridsysteme, die sowohl synthetische als auch organische Komponenten zusammenarbeiten. Die Anwendungen umfassen alles von der Mikromontage elektronischer Komponenten bis zum Abkratzen von Verunreinigungen von alternden Wertgegenständen. Zu den aufregendsten Demonstrationen gehören jedoch visionäre medizinische Eingriffe. Beispielsweise haben Wissenschaftler auf Mikroalgen basierende synthetische Mikroroboter entwickelt, die tief in infiziertes Lungengewebe von Kaninchen eindringen und dabei kontinuierlich Antibiotika freisetzen, die gegen schädliche Bakterien gerichtet sind, die über integrierte Peptidrezeptoren erkannt werden. Innerhalb einer Stunde heilten über 90 % der Infektion aus, im Vergleich zu weniger als 50 % bei direkt injizierten antibakteriellen Medikamenten. Durch die Anpassung der Medikamentenabgaberaten und die Förderung der selbstständigen Penetration durch empfindliche Membranen, die die Atemwege trennen, wurde eine unglaublich effiziente Behandlung von Lungenentzündungen möglich. Die Ergebnisse versprechen, die Zahl der weltweit häufigsten infektiösen Todesursachen auf den Kopf zu stellen. Andere Forschungen formten Mikroroboter zu zellulären Mikrowerkzeugen, um die Spermienreproduktion aktiv zu unterstützen, indem sie einzelne Zellen mit beeindruckender Präzision greifen, bevor sie sie freigeben. Weitere Projekte beschäftigen sich mit energieautarken Umweltsanierungsgeräten, deren Aufgabe es ist, Giftstoffe zu lokalisieren und zu neutralisieren. In einer Studie wurden weiche Mikroroboter mit eingebetteten Eisennanopartikeln entwickelt, die in der Lage sind, starke Wasserschadstoffe in harmlose Nebenprodukte abzubauen, wenn sie sichtbarem Licht ausgesetzt werden. Die geringe Größe der miniaturisierten Maschinen ermöglicht es ihnen, Bodenbereiche zu durchdringen, die für größere Geräte unzugänglich sind. Experten gehen davon aus, dass sich das Gebiet einem Wendepunkt nähert, an dem lebende Laboratorien bald Mikroroboter zu regulierten Testpipelines entwickeln werden – zunächst an Tieren und später möglicherweise an menschlichen Freiwilligen. Obwohl sie ursprünglich für kurzfristige diagnostische oder therapeutische Anwendungen gedacht waren, könnten Fortschritte eines Tages zu multifunktionalen Soft-Maschinen führen, die in der Lage sind, Biomarker genau zu überwachen und Heilungsprozesse über Wochen oder länger anzuregen. Später könnten optimierte weiche Mikroroboter komplexe zelluläre Mikrooperationen koordinieren oder redundante Aufgaben in Schwärmen ausführen, indem sie als biologisch abbaubare Werkzeuge neues Gewebe synthetisieren oder biologische Gefahren aus der Umwelt filtern. In einem neuartigen Ansatz wurden lebende Organismen wie Spermien, rote Blutkörperchen, Bakterien und Neutrophile in weiche Mikroroboter integriert. Diese biohybriden Mikroroboter kombinieren die natürlichen Sensor- und Antriebsfähigkeiten lebender Organismen mit der Kontrolle und Funktionalität künstlicher Komponenten. Diese Integration hat sich für Aufgaben wie die gezielte Medikamentenverabreichung und die Navigation in komplexen biologischen Umgebungen als effektiv erwiesen. Weiche Mikroroboter stellen sowohl in der Medizin als auch in der Umweltanwendung einen bedeutenden Fortschritt dar. In der Medizin versprechen sie lokalisiertere und weniger invasive Verfahren, darunter gezielte Medikamentenverabreichung, Zelltransplantation, nichtinvasive Chirurgie und diagnostische Verfahren. Im Umweltbereich bieten sie innovative Lösungen zur Sanierung und Überwachung. Da die Anwendungen jedoch immer komplexer werden, bleiben die Diskussionen an mehreren Fronten offen – insbesondere über die Standardisierung von Sicherheitsanforderungen, da die Mikrorobotik immer stärker in das Gesundheitswesen und in kommerzielle Umgebungen vordringt. Forscher entwickeln weiterhin immer vielfältigere und autonomere Funktionen und stellen gleichzeitig proaktiv sicher, dass ethische Protokolle die Tests leiten. Im Erfolgsfall verspricht die sanfte Mikrorobotik neue Möglichkeiten in nahezu allen technischen Disziplinen zu eröffnen.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=64166.php