Winzige Roboter revolutionieren die Kraftmessung auf mikroskopischer Ebene
Ein Forschungsteam der Cornell University hat die weltweit kleinsten Roboter entwickelt, die selbstständig laufen können. Mit einer Größe von nur wenigen Mikrometern eröffnen diese Roboter neue Möglichkeiten in der Bildgebung und Messung auf mikroskopischer Ebene. Sie können sich unabhängig bewegen und spezifische Orte erreichen, beispielsweise Gewebeproben, um dort Bilder aufzunehmen und Kräfte präzise zu messen.
Neuer Maßstab für winzige Roboter
Die Mikroroboter sind nur 2 bis 5 Mikrometer groß, was sie deutlich kleiner macht als ihre Vorgänger mit einer Größe von 40 bis 70 Mikrometern. Diese Reduktion ermöglicht es den Robotern, mit sichtbarem Licht zu interagieren. Sie nutzen die Prinzipien der Lichtbeugung, um durch winzige Öffnungen fortschrittliche Bildgebung zu ermöglichen.
Das Design der Roboter erlaubt es ihnen, autonom zu agieren, wodurch sie präzise Positionen ansteuern können. Durch die Kombination von magnetischer Steuerung und mikroskaligen Mechanismen sind sie in der Lage, komplexe Aufgaben zu erfüllen, die für traditionelle Mikroskop-Technologien unerreichbar sind.
Innovative Bewegungssteuerung
Die Beweglichkeit der Roboter wird durch nanometerskalige Magnete ermöglicht, die in zwei Formen vorliegen: lang und dünn oder kurz und stämmig. Ein starkes Magnetfeld richtet alle Magnete aus, während ein schwächeres Feld nur die kurzen Magnete beeinflusst. Diese Steuerungsmethode wurde durch die Verwendung ultradünner Filme weiter verfeinert, die in einem nanoskaligen Wissenschaftszentrum entwickelt wurden.
Die Roboter können auf festen Oberflächen wie eine Raupe kriechen oder durch Flüssigkeiten schwimmen. Diese Bewegungen nutzen ein „Pinch“-Verfahren, das auch die Möglichkeit bietet, auf mikroskopische Strukturen Druck auszuüben und so präzise Messungen durchzuführen.
Erweiterte optische Funktionen
Eine weitere Innovation dieser Roboter ist ihre Fähigkeit, optische Elemente mechanisch anzupassen. Sie fungieren entweder als Beugungsgitter oder integrieren diffraktive Linsen, um die Visualisierung mikroskopischer Strukturen zu verbessern. Diese Technologien machen die Roboter zu einer Art Erweiterung eines Mikroskopobjektivs, was eine völlig neue Art der Bildgebung ermöglicht.
Die Ingenieure mussten optische Herausforderungen bewältigen, um die Lichtabstimmung, Fokussierung und Superauflösungs-Bildgebung zu optimieren. Dabei wurde ein Gleichgewicht zwischen Beweglichkeit und den Formänderungen der Roboter gefunden, um ihre Funktionalität zu maximieren.
Potenziale für Wissenschaft und Industrie
Die Entwickler der Roboter sehen ein großes Potenzial für deren Anwendung in der mikroskopischen Bildgebung und Diagnostik. Laut Francesco Monticone, einem der Forscher, könnten diese Roboter in Zukunft in Schwärmen arbeiten. Sie könnten Aufgaben wie die Superauflösungs-Mikroskopie oder die Untersuchung biologischer Strukturen übernehmen, die bisher nicht möglich waren.
Monticone beschreibt die Technologie als eine Kombination aus Robotik und optischem Engineering auf einer Skala, die es erlaubt, Licht aktiv zu formen und für präzise Messungen zu nutzen. Dies öffnet Türen für neue Anwendungen in der medizinischen Forschung und industriellen Prozesskontrolle.
Eine neue Ära der Miniaturisierung
Mit dieser Entwicklung erreicht die Miniaturisierung in der Robotik ein neues Niveau. Die Roboter sind in der Lage, auf mikroskopischer Ebene zu agieren und bieten gleichzeitig eine mechanische Flexibilität, die es ermöglicht, ihre Form und Funktion je nach Aufgabe anzupassen. Diese Vielseitigkeit macht sie zu einem wertvollen Werkzeug für Wissenschaftler und Ingenieure.
Die Forscher glauben, dass diese Technologie erst am Anfang ihrer Möglichkeiten steht. In Zukunft könnten diese Roboter in der Lage sein, biologische Proben zu analysieren, chemische Reaktionen zu überwachen oder sogar in medizinischen Anwendungen eingesetzt zu werden, um Diagnosen zu verbessern und Behandlungen zu unterstützen.