»Sie fühlen, denken und agieren« – Forscher erschaffen die kleinsten autonomen Roboter der Welt – mich lassen sie direkt an Star Trek und Stargate denken

Der Traum der Ingenieure Miniatur-Allzweckhelfer zu entwickeln, die in Menschen, Fabriken oder in der Natur Aufgaben erledigen, kraxelt langsam voran – es entstehen erste frühe Prototypen. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI).

Mit dem Blick ins Mikroskop tauchen wir in ihre Lebenswelt ein. Zuckend schwimmen sie in einer milchigen Flüssigkeit umher, ihre Sonne ist ein LED-Licht im Labor. Doch sie sind nie allein, denn sie sind viele.

Wir stellen euch die wohl kleinsten elektrisch betriebenen Bewohner der Erde vor. Sinnstiftend eingesetzt, könnten sie Bahnbrechendes leisten und in Zukunft Leben retten – aber SciFi-Fans denken mitunter an die ein oder andere galaktische Plage.

Gerald Weßel

Stargate sowie vor allem Star Trek gehören für Gerald zu den zentralen Pfeilern der modernen Science Fiction. Sie prägten in früher Kindheit bereits das Gefühl für eine Zukunft, in der Technik die Gesellschaft transformiert – in die eine oder andere Richtung.
Da überrascht es wohl kaum, dass einer seiner Reflexe bei der Erwähnung von autonom agierenden Minirobotern nebst Neugier ein nervöses Zucken ist. Borg oder Replikatoren stehen nicht auf seiner Wunschliste, derweil... solch Mikrometer-großen Helfer wären ja schon praktisch.

Große Worte über winzige Wesen

Selten wecken Formulierungen in einer Pressemitteilung US-amerikanischer Forscher derart breites Interesse – von Laien, Experten und allem dazwischen gleichermaßen: »Die kleinsten autonomen Roboter der Welt und sie fühlen, denken, agieren und berechnen.«

Sie beschreiben einen Durchbruch in der Robotikforschung, der einen klaren Weg in die Zukunft vorzeichnet. Ein Schwarm winziger, agiler und vielseitiger Helfer für die anspruchsvollsten Umgebungen der Welt – inklusive des Inneren unserer Körper: Es handle sich um die ersten vollständig autonomen, programmierbaren Mikroroboter im Submillimeter-Bereich.

Sie messen ungefähr 200 bis 300 × 50 μm (also etwa 0,2 bis 0,3 mm in der Länge und Breite). Ihre Höhe beträgt sogar nur 50 μm – einzig ein simpler Chip voller geschrumpfter Hochtechnologie. Es passen rund 140 Millionen in eine herkömmliche Wasserflasche (via science.org).

Auf dem Chip findet sich alles, was ein einzelner von ihnen für ein eigenständiges Handeln und Überleben als Roboter braucht:

• Sensoren (Temperatur und elektrische Felder)
• Prozessor und Speicher
• Kommunikationsmittel (Sender und Empfänger)
• Antrieb in Form eines elektrokinetischen Systems (mehr dazu unten)
• Stromversorgung per Fotovoltaik-Zellen. Der Bedarf beläuft sich auf etwa 100 Nanowatt, was in etwa vergleichbar mit der notwendigen Energie für das Überleben einer lebenden Zelle ist.

0:54 Im Dienste der Wissenschaft: Massenhaft schwarze Bälle werden in ein Wasserreservoir geschüttet

Als hocheffizientes Rückgrat werkelt ein Prozessor mit eigens entwickelter Instruktionsarchitektur, die deutlich simpler ausfällt als bei modernen CPUs (zum Beispiel x86 in unseren Rechnern oder ARM in Smartphones).

Ihre Programmierung erfolgt entweder in Masse oder einzeln, in beiden Fällen jeweils mittels Lichtblitzen von LEDs. Jeglicher Versuch, sie zu berühren, selbst mit Pinzetten, oder ein wie auch immer geartetes Kabel anzuschließen, wäre vergeblich oder sogar praktisch destruktiv. In der Massenproduktion würde eine Einheit laut den Forschern wohl nur etwa 1 Cent kosten.

Was können die Roboter?

Bei der Frage nach den Fähigkeiten der Miniatur-Helfer treffen Fantasie und Realität aufeinander, oder tun sich Bilder aus Stargate oder Star Trek auf – Naniten oder Borg-Nanosonden. Doch keine Sorge, weder verfügen die Wesen über eine derart breite Vielfalt an Fähigkeiten, noch stellen sie eine Bedrohung dar.

Aber eines haben sie mit ihren SciFi-Konterparts gemeinsam: Sie arbeiten autonom, werden also nicht ferngesteuert und reagieren auf Sensordaten. Momentan können sie elektrischen Feldern folgen sowie Temperaturen messen.

Zur Fortbewegung nutzen die Roboter Platin-Elektroden, um Ströme geladener Teilchen (Ionen) in Flüssigkeiten zu erzeugen. Wir sprechen hierbei von sogenannten elektrokinetischen Antrieben, die ohne mechanische Teile auskommen.

Das Verfahren läuft ungefähr so ab:

• Mittels elektrischen Stroms (gewonnen durch die Fotovoltaik) werden die Elektroden an den Kanten der künstlichen Wesen aktiviert: Es bildet sich ein elektrisches Feld in der umgebenden Flüssigkeit aus.
• In der Folge fangen Ionen (geladene Atome) in der Flüssigkeit an, in eine Richtung zu fließen und ziehen die oberste Schicht der flüssigen Masse auf mikroskopischer Ebene mit – doch dieser extern angeschobene, gerichtete Fluss reicht.
• Der Roboter wird quasi hineingesogen. Die bewegte Flüssigkeit zieht den Roboter mit.

Diese Technik gewährt ihnen eine maximale Geschwindigkeit von 10–20 μm/s (0,02 Millimeter pro Sekunde) auf gerader Strecke sowie in Kurven bzw. bei der Rotation um die eigene Achse. Typischerweise liegt der Wert aber nur bei etwa 3–5 μm/s.

Die Kontrolle der Richtung geschieht durch Abänderung der Elektrodenpolarität, also wo der Plus- und wo der Negativpol anliegt. Ein Wechsel hier führt zu anders ausgerichteten Strömungen.

Mini-Schweizer-Taschenmesser

Weiterentwickelt bieten sich die autonomen Roboter für eine Vielzahl von Einsatzfeldern an, zum Beispiel:

• In der Medizin oder Biologie könnten sie Arzneimittel zeitlich sowie örtlich extrem genau und fein dosiert verabreichen. Obendrein würden sie Sensordaten liefern, die uns so derzeit nur schwer oder gar nicht ohne Eingriffe zur Verfügung stehen. Hierdurch ermöglichten sie in Krankenhäusern eine unterbrechungsfreie, nicht invasive und exakte Überwachung kritischer Lebenszeichen.
• Darüber hinaus eröffnen sich ähnliche Optionen in allen vorstellbaren anderen schwer zugänglichen Gebieten. So könnten sie in der Umweltüberwachung zum Einsatz kommen.
• Theoretisch ließen sich mit solch kleinen, mechano-elektrischen Geräten auch Strukturen aufbauen, sogenannte Nanofabrikation. Auf diese Weise würden Schwärme von Robotern zu wuseligen Ingenieuren im mikroskopischen Raum avancieren.

Herausforderungen bleiben

Bis allerdings die obig dargestellten Träume wahr werden, bleibt noch einiges zu tun. Aktuell kann der Roboter trotz seiner eigenständigen, berührungslosen Energieversorgung noch nicht allzu viel leisten. Denn seine elektrischen Systeme stellen nur ein begrenztes Energiebudget bereit. Das limitiert Speicher und Rechengeschwindigkeit. Stellt es euch vor, wie ein schwachbrüstiges Netzteil beim Gaming-PC.

Arg einschränkend fällt auch ihr fehlender Stromspeicher ins Gewicht. Sie müssen jeglichen Strom selbst sowie andauernd erzeugen, es existiert keine Reserve. Hierzu nutzen sie Licht, aber fallen dementsprechend umgehend aus, wenn sie davon abgeschnitten werden. Daher käme aktuell ein Einsatz in lichtlosen oder auch nur lichtarmen Umgebungen nicht infrage.

Zudem sind sie auf leitfähige Flüssigkeiten als Lebensraum beschränkt – was im Falle von menschlichem Blut allerdings kein Problem darstellen würde, denn dessen Leitfähigkeit gilt als durchaus ordentlich – wobei hier die Düsternis in uns im Weg stünde.

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Allerdings fehlt es ihnen noch an Werkzeugen, womit sie zum Beispiel im Inneren von Menschen oder Tieren Behandlungen vornehmen könnten. Ferner steht hiervor ohnehin noch ein entscheidender rechtlich-bürokratischer Schritt aus: Ihre Verträglichkeit zum Einsatz in solchen Umgebungen ist noch ungeklärt beziehungsweise selbst noch weit von den notwendigen klinischen Tests entfernt.

Bis wir also erstmals eine Injektion solcher Miniatur-Wunder-Roboter bekommen, vergehen sicherlich noch einige Jahre bis Jahrzehnte. In diesem Zeitraum gelingt es uns hoffentlich, den am Horizont aufziehenden Albträumen Riegel vorzuschieben. Denn wir brauchen sicher weder selbstreplizierende Naniten noch Borg-Nanosonden in freier Zivilisations-Wildbahn.

In welchem Bereich seht ihr das größte Potenzial für Schwärme solcher Miniroboter? Oder würdet ihr lieber die gesamte Forschung stoppen, da die eventuell auftretenden Gefahren in den falschen Händen zu groß wären? Schreibt uns eure Gedanken gerne in die Kommentare!