Mikroroboter Autonome Nanobots sollen sich selbstständig organisieren

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Die Mikroroboter der Technischen Universität Chemnitz handeln autonom und kommunizieren über Photodioden und Mikro-LEDs. Dank ihres Origami-Ansatzes können sie ihre Form verändern und sich von einer flachen Fläche zu einem kompakten 3D-Kubus entwickeln.

In einem bedeutenden Schritt zur Entwicklung intelligenter Mikrorobotersysteme hat das Forschungszentrum für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) der Technischen Universität Chemnitz eine neue Generation autonomer Mikroroboter, die sogenannten Smartlets, vorgestellt. Diese Systeme können in wässrigen Umgebungen agieren, kommunizieren und kooperieren.

Smartlets: Architektur und Funktionalität

Die kleinen Smartlets haben lediglich einen Durchmesser von Millimeter und sind mit fortschrittlicher Elektronik, Sensoren, Aktoren und eigenständigen Energiesystemen ausgestattet. Sie senden und empfangen optische Signale, reagieren auf Umweltreize durch Bewegungen und tauschen Informationen untereinander aus.

Im Gegensatz zu ihren Vorgängern, die auf externe drahtlose Systeme angewiesen waren, operieren Smartlets dank integrierter Photovoltaikzellen und winziger Mikrochips. Hierdurch entfällt der Bedarf an großen Steuereinheiten. Die Mikroroboter sind mit Mikro-LEDs und Fotodioden für optische Kommunikation ausgestattet. Somit können die Smartlets über die Mikro-LEDs und Fotodioden optische Signale empfangen und senden. Licht dient somit sowohl als Energiequelle (durch Photovoltaikzellen) als auch als Medium für die Informationsübertragung.

„Erstmals demonstrieren wir eine autarke Mikrorobotereinheit, die nicht nur Reize berücksichtigt und sich bewegt, sondern auch programmierbar mit anderen interagiert“, erklärt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt vom Forschungszentrum MAIN.

Innovative Herstellungsprozesse und Funktionalitäten

Die Smartlets werden durch einen Origami-inspirierten Ansatz aus multifunktionalen, mehrschichtig strukturierten Materialien produziert. Dieses Design ermöglicht es dem elektronischen System, sich von einer flachen Form zu einem komplexen 3D-Kubus zu falten, der wesentliche Komponenten wie Solarenergie-Harvester und optische Kommunikationssysteme integriert. Im Wasser bewegen sich die Smartlets durch Auftriebskräfte, unterstützt von Blasen erzeugenden Motoren, die das Innere mit Gas füllen, zusätzlich zu optischen Signalen zur Interaktion mit anderen Smartlets.

Solche Fähigkeiten ermöglichen ausgeklügelte Multi-Roboter-Interaktionen im Wasser, wie stimulierte Bewegungen und koordinierte Verhalten. Technologische Fortschritte gestatten Lithographien, um integrierte optische Kommunikation und Energienutzung effizient zu realisieren. „Die Nutzung von Licht sowohl für Energie als auch Informationen bietet eine kompakte Möglichkeit, verteilte Robotersysteme zu entwickeln“, fügt Dr. Vineeth Bandari hinzu.

Zukunftsvisionen für Anwendungen

Dank ihrer kabellosen und biokompatiblen Natur haben Smartlets das Potenzial, in der Überwachung der Wasserqualität, medizinischen Diagnose oder in begrenzten biologischen Umgebungen eingesetzt zu werden. Die Möglichkeit, reaktive Kolonien zu bilden, eröffnet Anwendungen in der Soft-Robotik, autonomen Inspektionssystemen und verteilten Sensorennetzwerken. Dr. Yeji Lee betont, dass dies der Anfang ist, mit weiteren Plänen zur Integration chemischer und akustischer Sensormodule, um Autonomie weiter zu steigern.

In Zukunft könnten sich Smartlets zu dynamischen Systemen entwickeln, die kolonialen Organismen ähneln, beispielsweise durch spezialisierte Funktionen wie Wahrnehmung, Kommunikation und Fortbewegung. „Obwohl wir von künstlichem Leben noch entfernt sind“, relativiert Prof. McCaskill, „erkennen wir die Potenziale verteilter Intelligenz und modularer Hardware, um adaptive Systeme zu schaffen.“

Das Chemnitzer Team setzt mit dieser bahnbrechenden Entwicklung auf grundlegende Herausforderungen der Mikrorobotik und eröffnet Wege zu autonomen Systemen, die in der Lage sind, sich selbstständig zu organisieren und in größeren Kollektiven zu agieren. (heh)

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