Grüne Roboterwinzlinge Forscher machen aus magnetischen Mikroalgen Miniroboter

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Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme haben eine einzellige grüne Mikroalge mit magnetischem Material beschichtet. Folgendes kam dabei heraus ...

Am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) haben Experten einen mit magnetischen Partikeln überzogenen Mikroschwimmer entwickelt. Dessen Schwimmfähigkeit bleibe durch die Beschichtung weitgehend intakt. Das dortige Team der Abteilung für Physische Intelligenz veröffentlichte seine Arbeit im Fachjournal Matter. Warum fiel die Wahl auf die Mikroalge? Nun, in der Natur sind einzellige Mikroalgen fantastische Schwimmer. sagen die Forscher. Zwei antennenartige Fühler an der Vorderseite treiben die Winzlinge im Wasser dabei voran. Nun wollte man herausfinden, was passiert, wenn man die Algen mit dem natürlichen Polymer Chitosan (bringt gute Haftung) sowie mit magnetischen Nanopartikeln beschichtet. Würde der nur 10 Mikrometer kleine Schwimmer dennoch in der Lage sein, sich seinen Weg auch durch enge Zwischenräume zu bahnen? Und würde es ihm gelingen – als wäre die erste Herausforderung nicht schon groß genug – sich so auch durch zähen Schleim zu bewegen? Mal sehen ...

Beschichtete Mikroalgen stellen Michael Phelps in den Schatten

Die Wissenschaftler stellten dabei fest, dass die biohybriden Mikroschwimmer von der Beschichtung kaum beeinträchtigt werden. Denn aufgrund der sozusagen Brustschwimmbewegung der kleinen Fühler an der Vorderseite flitzten auch die beschichteten Algen mit einer fast unveränderten Geschwindigkeit durch die Medien. Sie erreichend dabei rund 115 Mikrometer pro Sekunde, was etwa 12 ihrer Körperlängen pro Sekunde bedeutet. Zum Vergleich: Olympiasieger Michael Phelps erreichte zu Bestzeiten eine Geschwindigkeit von 1,4 Körperlängen pro Sekunde. Die Alge ist ja aber, wie man betont, nur eine Zelle und hat weder Beine noch Füße. Beschichtet man die Mikroalgen mit magnetischem Material, lassen sie sich so funktionalisieren, dass man sie in jede beliebige Richtung lenken kann, wie die Stuttgarter erklären. Die Mikroalge wird so quasi zum Mikroroboter. Die Vision ist es, die Mikroroboter in komplexen und engen Umgebungen einzusetzen, die stark eingegrenzt sind, wie es etwa im menschlichen Gewebe der Fall ist. Klappt das, öffnete es die Türen für die gezielte Medikamentenabgabe und biete eine biokompatible Alternative für medizinische Behandlungen.

Roboteralgen folgen magnetischen Feldlinien

Die Beschichtung der Zellen dauere nur wenige Minuten und funktioniere fast immer. Konkret: neun von zehn Algen konnten erfolgreich mit magnetischen Nanopartikeln beschichtet werden. Man testete dann die Biohybrid-Roboter zunächst in einer wasserartigen Flüssigkeit. Mithilfe externer Magnetfelder konnten die Forscher die Algenroboter wirklich in jede beliebige Richtung steuern, wie man betont. Anschließend lenkte man die Roboterwinzlinge entlang winziger 3D-gedruckter Röhrchen, die eine stark eingegrenzte Umgebung – höchsten dreimal so breit wie die Mikroalgen – darstellten. Um zu sehen, ob auch dann die Steuerung klappt, richtete das Team zwei verschiedene Systeme ein. Eines mit Magnetspulen und eines mit Permanentmagneten um ein Mikroskop herum. Sie erzeugten ein gleichmäßiges Magnetfeld und änderten wiederholt dessen Richtung. Die Robot-Algen konnten in den additiv gefertigten Mikrokanälen dann auf drei Arten navigiert werden, wie es heißt – „Rückwärtsgang“, Kreuzen und magnetisch Kreuzen. Dabei stellte sich heraus, dass die Bioroboter ohne magnetische Hilfe oft steckenblieben und sich zum Start zurückbegaben. Das Magnetfeld wirke also wie ein GPS. In einem nächsten Schritt erhöhte das Team die Viskosität (Zähigkeit) der Flüssigkeit und schickte die Mikroroboter wieder durch die engen Kanäle.

Viskosität und magnetische Ausrichtung optimieren Beweglichkeit

Wie es dazu heißt, wollte man testen, wie die Schwimmer sich in einer Umgebung verhalten, die Schleim ähnelt. Logisch – die höhere Viskosität beeinflusste natürlich die Schwimmfähigkeit der Mikroalgen. (Nicht umsonst kann man Einzeller für die Beobachtungen unter dem Hobbymikroskop abbremsen, indem man etwa Glycerin in den Wassertropfen gibt). Eine höhere Viskosität verlangsamt sie also und verändert aber auch die Art und Weise, wie sich die Miniroboter fortbewegen. Denn als die Wissenschaftler hier das Magnetfeld anlegten, bewegten sie sich in einer Art Zickzackmuster vorwärts. Das zeige, wie die Feinabstimmung von Viskosität und magnetischer Ausrichtung die Navigation von Mikrorobotern in komplexen Umgebungen optimieren könne.

Dieser Artikel ist zuerst erschienen auf unserem Schwesterportal www.maschinenmarkt.vogel.de.

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