Medizinforschung Dank Baukastensystem: Miniroboter für den Einsatz im menschlichen Körper

Die Wissenschaft tüftelt schon seit Jahren an Minirobotern. Die sind zum Teil kleiner als ein Millimeter. Sie sollen nämlich durch unseren Körper reisen und dabei Medikamente an die richtige Stelle bringen oder Tumorzellen verbrennen. Dieser Zukunftsvision der Medizin ist die Wissenschaft jetzt wieder einen Schritt näher gerückt, dank einer neuen Erfindung von Max-Planck-Forschenden, die manche vielleicht an Lego erinnern wird. MDR WISSEN Reporterin Karolin Dörner berichtet.

Auf der Plattform können Bausteine verschiedenster Formen und Materialien miteinander verbunden werden und so Miniroboter konstruiert werden 3 min
Bildrechte: Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS)

Max-Planck-Wissenschaftler:innen haben eine Fabrikationsplattform entwickelt, die es erlaubt individuelle Bauteile für Miniroboter aus unterschiedlichsten Materialien und in verschiedensten Formen herzustellen.

MDR KULTUR - Das Radio Mo 03.05.2021 16:33Uhr 02:57 min

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Gucken Sie sich die kleinste Einheit auf einem Lineal an: Millimeter, ziemlich klein. Millimeter aber gehört noch zu den großen Einheiten, wenn es um Miniroboter geht. Entwickelt werden sie unter anderem von Prof. Metin Sitti, Direktor der Abteilung physische Intelligenz am Max-Planck-Instituts für intelligente Systeme. Und klein müssen die eben sein: Die kleine Größe dieser Roboter macht es möglich, dass wir sie in enge und schwer zugängliche Bereiche im Körper steuern könnten, wie z. B. in den Verdauungstrakt, den Magen oder die Blase.

Diese Roboter könnten Aufgaben in schwer zugänglichen Bereichen übernehmen, wie z. B. Medikamente zu verabreichen oder Proben zu entnehmen für diagnostische und therapeutische Zwecke. Nur, mit der kleinen Größe der Roboter gehen natürlich auch viele Schwierigkeiten einher. Zum Vergleich: Ein normaler Roboter, wie in der Autoindustrie ist normalerweise mehrere Meter groß und besteht aus hunderten oder tausend Komponenten und Materialien: Schrauben, Muttern, Kabeln, Platten, alles Mögliche wird verbaut. Und beim Miniroboter? Da war es bisher nur möglich, ein Material zu verwenden. Simpler Aufbau, eingeschränkte Funktionsweise, erzählt Sitti:

Stellen Sie sich vor, Sie würden ein Bild malen wollen, hätten aber nur eine Farbe. Jetzt können Sie aus verschiedenen Farben wählen. Der Unterschied ist riesig.

Prof. Metin Sitti, MPI-IS

Dass nun verschiedene Farben, oder im konkreten Fall mehrere Materialien im Miniroboter verbaut werden können, ist das Verdienst seines Teams. Die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts haben eine Art Baukastensystem entwickelt. Die einzelnen Teile werden in Formen gegossen, wie in einem Muffin-Förmchen. Anschließend können die Bauteile dann so zusammengesetzt werden, wie man es für seinen Roboter braucht.

Wir verwenden kleine Bausteine, sogenannte Voxel, um einen größeren Roboter zu konstruieren. Stellen Sie sich eine mikrometer-kleine Version von Legobausteinen vor. Ähnlich wie bei der Verwendung von Legosteinen verschiedener Farben und Formen, können wir so ein komplexes Design konstruieren. In unserem Fall kann jedes Voxel aus unterschiedlichen Materialien sein, unterschiedliche Formen und Eigenschaften haben. Das Ergebnis ist ein Roboter, der anspruchsvoller und funktioneller ist als herkömmliche Maschinen.

Prof. Metin Sitti, MPI-IS

Die Voxel können zum Beispiel aus Materialien bestehen, die die Konstruktion halten, aber auch aus Materialien, die die Steuerung der weichen Maschinen ermöglichen.

Die Roboter steuern wir mit einem Magnetfeld. Wir legen einen Permanentmagneten an oder umwickeln den Roboter mit einer Magnetspule. Ein Magnetfeld ist ein großartiges Steuerinstrument, da es viele Materialien, insbesondere Gewebe und Zellen, durchdringt, Kraft hat und die nötigen Drehmomente aufbringt.

Prof. Metin Sitti, MPI-IS

Aber auch hier gab es bisher immer begrenzte Möglichkeiten, denn das Magnetisierungsprofil eines jeden Roboters war bisher an seine Geometrie gekoppelt und damit ziemlich limitiert.

Mikroroboter
Die Grafik zeigt, wie die Miniaturroboter auf Montageplattformen für jeden Bedarf passgenau hergestellt werden können. Bildrechte: MPI für intelligente Systeme Frankfurt

Jetzt haben wir eine Plattform geschaffen, die ein beliebiges Magnetisierungsprofil ermöglicht. Das ist möglich, weil wir mehrere magnetische Teile frei in ein System integrieren können.

Jiachen Zhang, MPI-IS

Schon jetzt hat das Team um Metin Sitti eine Vielzahl ganz unterschiedlicher Miniroboter entwickelt: Eine krabbelnde und rollende Raupe, ein spinnenartiges Konstrukt, das hoch springen kann oder Maschinen, die anmutig schwimmen wie Quallen. Mit der Bausätzen, die auf der neuartigen Fabrikationsplattform gefertigt werden können, werden jetzt noch komplexere hinzukommen.

Link zur Studie

Die Studie "Voxelated three-dimensional miniature magnetic soft machines via multimaterial heterogeneous assembly" ist in Science Robotics erschienen.

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