Roboter mit weicher Schale

Geschlossen sehen sie aus wie Samenkapseln von Pflanzen, ausgerollt wie Seesterne: Die neuen Mikroroboter k?nnten aufgrund ihrer Form genauso gut Lebewesen sein. Auch f¨¹r die Entwicklung des Bewegungsmechanismus, der die Roboter ?ffnet und schliesst, hat sich Stefano Fusco, Doktorand am Institut f¨¹r Robotik und Intelligente System (IRIS) von der Natur inspirieren lassen: Die Venusfliegenfalle respektive der Mechanismus, mit dem die Pflanze ihre Insektenfalle bet?tigt, war f¨¹r den Forscher die Blaupause f¨¹r seine ?Kreaturen?.

Die Kleinstroboter sind denn auch nicht hart, sondern weich. Sie bestehen aus zwei Lagen Hydrogel, einer Materialklasse, die zu 90 Prozent aus Wasser und zu 10 Prozent aus Polymeren besteht. Die Arme der seesternartigen H¨¹lle biegen sich von selbst nach innen und bilden so eine Kapsel. Die Hydrogel-Doppelschicht ist mit einem Modellwirkstoff impr?gniert und funktioniert als Plattform f¨¹r die Wirkstoffabgabe. Darin eingeschlossen sind zudem winzige magnetische K¨¹gelchen, die Stammzellen transportieren.

Zielgenaue Wirkstoffabgabe

Getestet wurden die Hydrogelroboter vorerst nur in vitro. Mithilfe eines Steuerungssystems, das ausserhalb des Testsystems liegt und mit verschiedenen Magnetspulen arbeitet, k?nnen die Forscher die Kapseln an eine bestimmte Stelle steuern. Dort angekommen, werden sie mit Laserlicht im Nah-Infrarotbereich (785 nm Wellenl?nge) bestrahlt, was eine Formver?nderung des Hydrogels ausl?st. Die Kapsel ?ffnet sich innerhalb weniger Sekunden und setzt die K¨¹gelchen frei. Auf diese Weise k?nnten die Wissenschaftler beispielsweise Wirkstoffe und Stammzellen exakt zu der K?rperregion bringen und abgeben, wo sie ben?tigt werden. Die Form?nderung des Mikroroboters ist reversibel. M?glich macht dies Graphen, das Fusco dem Hydrogel beimischte. Der Kohlenstoff reagiert empfindlich auf Nah-Infrarotstrahlung.

?Von Anfang an zielten wir auf eine konkrete Anwendung ab, weshalb wir ein weiches Material f¨¹r die Mikroroboter w?hlten?, sagt Fusco, der als Materialwissenschaftler bei den Robotikern im IRIS arbeitet. Seine Studie, die unter der Leitung von Senior Scientist Selman Sakar in Zusammenarbeit mit weiteren Gruppen der ETH Z¨¹rich sowie der Harvard University entstanden ist, ist in der entsprechenden Fachzeitschrift - ?Advanced Materials? - als Titelgeschichte erschienen.

Um das Navigationssystem musste sich der Doktorand nicht k¨¹mmern. Daran arbeiten andere Forscher am IRIS seit knapp einem Jahrzehnt. Es wurde dazu entwickelt, um winzige magnetische Objekte, die keinen eigenen Antrieb und keinen Stromanschluss haben, zu steuern und zu bewegen. Bekannt wurde das ausgekl¨¹gelte System in Zusammenhang mit einem Mikroroboter f¨¹r minimal invasive Eingriffe im Auge (ETH Life berichtete).

Einsatztiefe verbessern

Noch haben die Hydrogelroboter Grenzen. Fusco fand heraus, dass Nah-Infrarotstrahlung je nach Gewebeart nur rund 15 Millimeter bis 15 Zentimeter tief in den K?rper eindringen kann. F¨¹r einen Einsatz in inneren Organen ist dies m?glicherweise zu wenig. Die Forscher entwickelten deshalb noch einen anderen Mechanismus, um die Kapseln auch in den Geweben zu ?ffnen, in welche die Nah-Infrarotstrahlung nicht eindringt: Der ETH-Doktorand hat das Hydrogel so konzipiert, dass es auf einen magnetischen Impuls hin seine Form ver?ndert. So k?nnten die Mikroroboter tief im K?rperinnern ausgel?st werden. ?Der grosse Vorteil des Hydrogels ist, dass es sich mit verschiedenen chemischen Zus?tzen so anpassen l?sst, dass die Kapsel auf unterschiedliche Stimuli reagiert?, sagt der Materialforscher.

Getestet hat er die Hydrogelkapseln bisher erst in biologischen Fl¨¹ssigkeiten und in Wasser, noch nicht aber in einem tierischen oder menschlichen Gewebe. An eine Anwendung in einem lebenden Organismus ist allerdings erst zu denken, wenn es den Forschern gelingt, die Kapseln noch kleiner zu machen. Mit ihrer jetzigen Gr?sse von einem halben Millimeter passen die Mikroroboter beispielsweise nicht durch Kapillaren. Fusco denkt, dass sie ?mindestens um den Faktor 10 kleiner werden m¨¹ssen.? Ein weiteres Ziel ist, die Kapseln und ihr Inhalt biologisch abbaubar zu machen. Die H¨¹lle und die darin enthaltenen K¨¹gelchen m¨¹ssen bioresorbierbar sein, damit sie nach ihrem Einsatz nicht aus dem K?rper entfernt werden m¨¹ssten. Um die beiden Ziele zu erreichen, sind wohl weitere drei bis f¨¹nf Jahre Forschung n?tig, sch?tzt Fusco. Erst diese zweite Generation von Hydrogelrobotern k?nnten dann in Tierversuchen getestet werden.