Kleiner Roboter könnte Partikel aus Wasser reinigen und Zellen transportieren

Forscher an der Eindhoven University of Technology haben einen winzigen Plastikroboter entwickelt, der verwendet werden kann, um Partikel im Wasser anzuziehen und zu erfassen. Er könnte auch verwendet werden, um Zellen für die Analyse in diagnostischen Geräten zu transportieren.

Die Studie wurde in der Zeitschrift PNAS veröffentlicht.

Der Roboter

Der winzige Roboter besteht aus reaktiven Polymeren, die durch Licht und Magnetismus gesteuert werden können. Er wird auch als “drahtloser aquatischer Polyp” bezeichnet und ist von einem Korallenpolypen in der Natur inspiriert, der in Korallenriffen vorkommt und Tentakel hat.

In der realen Welt können lebende Polypen eine bestimmte Bewegung mit ihrem Stiel ausführen, um einen Strom zu erzeugen, der Nahrungspartikel anzieht.

Laut der Doktorandin Marina Pilz Da Cunha: “Ich wurde von der Bewegung dieser Korallenpolypen inspiriert, insbesondere von ihrer Fähigkeit, mit der Umgebung durch selbst erzeugte Strömungen zu interagieren.”

Der neu entwickelte künstliche Polyp ist 1 x 1 cm groß, wobei der Stiel auf Magnetismus reagiert und die Tentakel durch Licht gesteuert werden.

“Die Kombination von zwei verschiedenen Reizen ist selten, da sie eine delicate Materialvorbereitung und -montage erfordert, aber sie ist interessant für die Erstellung untetherter Roboter, da sie komplexe Formänderungen und Aufgaben ermöglicht”, sagt Pilz Da Cunha.

Um die Tentakel zu steuern, wird Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen auf sie gerichtet. Mit UV-Licht “greifen” die Tentakel, und unter blauem Licht “lassen” sie los.

Unter Wasser

Der künstliche Polyp kann Objekte unter Wasser greifen und loslassen. Der neue Roboter ist eine Weiterentwicklung des lichtgeführten Paket-Liefer-Mini-Roboters, der von den Forschern früher im Jahr vorgestellt wurde.

Der landgestützte Roboter konnte nicht unter Wasser operieren, da die Polymere durch photothermische Effekte wirken. Im Gegensatz zum Unterwasser-Modell nutzte der landgestützte Roboter die Energie, die durch die von dem Licht erzeugte Wärme entstand, anstatt durch das Licht selbst.

“Die Wärme verteilt sich in Wasser, was es unmöglich macht, den Roboter unter Wasser zu steuern”, sagte Pilz Da Cunha.

Mit dieser Erkenntnis entwickelten die Forscher ein photomechanisches Polymer-Material, das allein durch Licht gesteuert werden kann, ohne Wärme.

Eine weitere wichtige Entwicklung bei diesem neuen Roboter ist, dass er seine Deformation nach der Aktivierung durch Licht beibehalten kann. Nachdem der Reiz entfernt wurde, kehrt das photothermische Material in seine ursprüngliche Form zurück, aber die Moleküle im photomechanischen Material nehmen einen neuen Zustand an. Durch diese Eigenschaft können unterschiedliche stabile Formen für längere Zeiträume aufrechterhalten werden.

“Das hilft, den Greiferarm zu steuern; sobald etwas erfasst wurde, kann der Roboter es festhalten, bis er durch Licht erneut angesprochen wird, um es loszulassen”, sagt Pilz Da Cunha.

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Partikel anziehen

Ein rotierender Magnet befindet sich unter dem Roboter, der es dem Stiel ermöglicht, um die Achse zu kreisen.

Laut Pilz Da Cunha: “Es war daher möglich, tatsächlich schwimmende Objekte im Wasser auf den Polypen zuzubewegen, in unserem Fall Öltropfen.”

Der Fluidfluss kann durch die Position der Tentakel geändert werden.

“Computer-Simulationen mit unterschiedlichen Tentakel-Positionen halfen uns letztendlich, die Bewegung des Stiels genau zu verstehen und die Bewegung der Öltropfen auf die Tentakel zuzuführen”, sagt Pilz Da Cunha.

Der Roboter kann unabhängig von der umgebenden Flüssigkeit operieren. Dies steht im Gegensatz zu den oft für Unterwasser-Anwendungen verwendeten Hydrogelen, die empfindlich auf die Umgebung reagieren.

“Unser Roboter funktioniert auch im Salzwasser oder in Wasser mit Verunreinigungen, indem er diese mit seinen Tentakeln auffängt”, sagt Pilz Da Cunha.

Die Forscher arbeiten derzeit daran, verschiedene Polypen zur Zusammenarbeit zu bringen, mit der Möglichkeit, dass ein Polyp ein Paket an einen anderen weitergibt. Sie arbeiten auch an schwimmenden Robotern, die für biomedizinische Anwendungen verwendet werden könnten.