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Winzige vibrationsgetriebene Roboter haben die Größe der kleinsten Ameise der Welt

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Schwärme dieser "Mikroborsten-Bots" könnten zusammenarbeiten, um Umweltveränderungen zu erfassen, Materialien zu bewegen - oder vielleicht eines Tages Verletzungen im menschlichen Körper zu reparieren

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Forscher haben eine neue Art von winzigen 3D-Druckrobotern entwickelt, die sich bewegen, indem sie Vibrationen von piezoelektrischen Aktoren, Ultraschallquellen oder sogar winzigen Lautsprechern nutzen. Schwärme dieser "Mikroborsten-Bots" könnten zusammenarbeiten, um Umweltveränderungen zu erfassen, Materialien zu bewegen - oder vielleicht eines Tages Verletzungen im menschlichen Körper zu reparieren.

Die Prototyp-Roboter reagieren je nach Konfiguration auf unterschiedliche Schwingungsfrequenzen und ermöglichen es den Forschern, einzelne Bots durch Einstellen der Schwingung zu steuern. Etwa zwei Millimeter lang, etwa so groß wie die kleinste Ameise der Welt, können die Bots trotz der körperlichen Einschränkungen ihrer geringen Größe in einer Sekunde das Vierfache ihrer eigenen Länge zurücklegen.

"Wir arbeiten daran, die Technologie robust zu machen, und wir haben viele potenzielle Anwendungen im Blick", sagte Azadeh Ansari, Assistant Professor an der School of Electrical and Computer Engineering am Georgia Institute of Technology. "Wir arbeiten an der Schnittstelle von Mechanik, Elektronik, Biologie und Physik. Es ist eine sehr reiche Gegend und es gibt viel Raum für multidisziplinäre Konzepte."

Ein Papier, das die Mikroborsten-Bots beschreibt, wurde zur Veröffentlichung im Journal of Micromechanics and Microengineering angenommen. Die Forschung wurde durch einen Seed Grant des Georgia Tech Institute for Electronics and Nanotechnology unterstützt. Neben Ansari gehören zum Forschungsteam auch der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering Associate Professor Jun Ueda und die Doktoranden DeaGyu Kim und Zhijian (Chris) Hao.

Die Mikroborsten-Bots bestehen aus einem piezoelektrischen Aktuator, der auf einen Polymerkörper aufgeklebt ist, der mittels Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie (TPP) in 3D gedruckt wird. Das Stellglied erzeugt Vibrationen und wird extern versorgt, da keine Batterien klein genug sind, um auf den Roboter zu passen. Die Vibrationen können auch von einem piezoelektrischen Schüttler unter der Oberfläche, auf der sich die Roboter bewegen, von einer Ultraschall-/Sonarquelle oder sogar von einem winzigen akustischen Lautsprecher kommen.

Die Vibrationen bewegen die federnden Beine auf und ab und treiben den Micro-Bot nach vorne. Jeder Roboter kann so ausgelegt werden, dass er auf unterschiedliche Schwingungsfrequenzen reagiert, abhängig von Beingröße, Durchmesser, Design und Gesamtgeometrie. Die Amplitude der Vibrationen steuert die Geschwindigkeit, mit der sich die Mikro-Bots bewegen.

"Während sich die Mikroborsten-Bots auf und ab bewegen, wird die vertikale Bewegung in eine gerichtete Bewegung umgesetzt, indem das Design der Beine optimiert wird, die wie Borsten aussehen", erklärt Ansari. "Die Beine des Mikroroboters sind mit bestimmten Winkeln versehen, die es ihnen ermöglichen, sich zu biegen und sich in eine Richtung zu bewegen, als Resonanz auf die Vibration."

Die Mikroborsten-Bots werden in einem 3D-Drucker im TPP-Verfahren hergestellt, einer Technik, die ein Monomerharzmaterial polymerisiert. Sobald der vom ultravioletten Licht getroffene Teil des Harzblocks chemisch entwickelt ist, kann der Rest weggespült werden, so dass die gewünschte Roboterstruktur erhalten bleibt.

"Es ist eher das Schreiben als die traditionelle Lithographie", erklärte Ansari. "Du hast die Struktur, die du mit einem Laser auf das Harzmaterial schreibst. Der Prozess dauert jetzt eine ganze Weile, also suchen wir nach Möglichkeiten, ihn zu skalieren, um Hunderte oder Tausende von Mikro-Bots gleichzeitig herzustellen." Einige der Roboter haben vier Beine, während andere sechs haben. Der Erstautor DeaGyu Kim fertigte Hunderte der winzigen Strukturen an, um die ideale Konfiguration zu bestimmen.

Die piezoelektrischen Aktoren, die das Material Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwenden, schwingen, wenn elektrische Spannung an sie angelegt wird. Umgekehrt können sie auch verwendet werden, um eine Spannung zu erzeugen, wenn sie vibriert werden, eine Fähigkeit, mit der die Mikroborsten-Bots On-Board-Sensoren mit Strom versorgen können, wenn sie durch externe Vibrationen betätigt werden.

Ansari und ihr Team arbeiten daran, die Roboter zu steuern, indem sie zwei leicht unterschiedliche Mikroborsten-Bots miteinander verbinden. Da jeder der verbundenen Mikro-Bots auf unterschiedliche Schwingungsfrequenzen reagieren würde, könnte die Kombination durch Variation der Frequenzen und Amplituden gesteuert werden. "Sobald man einen voll steuerbaren Mikroroboter hat, kann man sich vorstellen, viele interessante Dinge zu tun", sagte sie.

Andere Forscher haben an Mikrorobotern gearbeitet, die Magnetfelder nutzen, um Bewegung zu erzeugen, stellte Ansari fest. Während dies nützlich ist, um ganze Schwärme auf einmal zu bewegen, können magnetische Kräfte nicht einfach genutzt werden, um einzelne Roboter innerhalb eines Schwarms anzusprechen. Die von Ansari und ihrem Team entwickelten Mikroborsten-Bots gelten als die kleinsten Roboter, die durch Vibration angetrieben werden.

Die Mikroborsten-Bots sind etwa zwei Millimeter lang, 1,8 Millimeter breit und 0,8 Millimeter dick und wiegen etwa fünf Milligramm. Der 3D-Drucker kann kleinere Roboter produzieren, aber mit einer reduzierten Masse können die Haftkräfte zwischen den winzigen Geräten und einer Oberfläche sehr groß werden. Manchmal können die Mikro-Bots nicht von der Pinzette getrennt werden, mit der sie aufgenommen wurden.

Ansari und ihr Team haben einen "Spielplatz" gebaut, auf dem sich mehrere Mikro-Bots bewegen können, während die Forscher mehr darüber erfahren, was sie tun können. Sie sind auch daran interessiert, Mikro-Bots zu entwickeln, die springen und schwimmen können.

"Wir können zum Beispiel das kollektive Verhalten von Ameisen betrachten und das, was wir aus ihnen lernen, auf unsere kleinen Roboter übertragen", fügte sie hinzu. "Diese Mikroborsten-Bots laufen gut in einer Laborumgebung, aber es gibt noch viel mehr, was wir tun müssen, bevor sie in die Außenwelt hinausgehen können."