Vision

Selbstmontierende Heiler

Mikroroboter könnten der Medizin in Zukunft völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Dank zweier Forscher aus Stuttgart können sie in winzige Einzelteile zerlegt werden und so noch einfacher in den Körper gelangen.

Illustration Matthias Seifarth Max-Planck-Institut für intelligente Systeme, Abteilung für Physische Intelligenz

Sie sind kaum größer als ein menschliches Haar und wollen es doch mit einem Krebstumor aufnehmen. Die Rede ist von winzigen Maschinen, 20 bis 50 Mikro­meter groß, die im menschlichen Körper eigenständig bösartige Zellen attackieren, Medikamente verabreichen oder Gewebe reparieren könnten. Noch sind solche Szenarien Zukunftsmusik. Doch Yunus Alapan und Mehmet Berk Yigit vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart ist in der Erforschung solcher Mikroroboter ein entscheidender Fortschritt geglückt. Mit einer neuen Herangehensweise schafften es die beiden Wissenschaftler, dass sich Mikroroboter unterschiedlichster Bauarten selbst konfigurieren. Die einzelnen Bauteile der Roboter finden eigenständig zueinander und bauen sich selbst zu einer funktionstüchtigen Maschine auf.

Der Ansatz von Alapan und Yigit greift auf die sogenannte Dielektrophorese zurück, ein Verfahren, das inhomogene elektrische Felder aus Gleich- und Wechselstrom zur Manipulation von Partikeln nutzt. Vereinfacht gesagt: Das Gerüst sowie die einzelnen Teile der Roboter werden einem elektrischen Feld ausgesetzt, das die Bauteile polarisiert. Um sie herum bilden sich Kräfte, vergleichbar mit einem Magneten. Wer diese Kräfte kontrolliert, kann auch die Einzelteile steuern und zusammensetzen. Genau das ist Alapan und Yigit gelungen. „Je nachdem, welche Form wir den einzelnen Teilen geben, ziehen sie sich an oder stoßen sich ab“, erklärt Alapan. Er und seine Kollegen codieren dazu die winzigen Einheiten mit allen notwendigen Informationen zu Form und Montage. Das Design der Bauteile erzeugt so genau das elektrische Feld, in dem die Teile sich zur richtigen Konstruktion zusammenfinden.

Der erste Entwurf der Forscher ist ein etwa 50 Mikrometer großes selbstmontierendes Mikroauto mit magnetischem Antrieb. Es besteht aus einem nicht magnetischen Gerüst und magnetischen Rädern. Im elektrischen Feld entwickelt das Chassis die idealen Anziehungskräfte, um die Räder in die richtige Position zu ziehen. „Der Ansatz ist: Die einzelnen Komponenten unserer Mikroroboter sind nicht fest verbaut. So bewegen sie sich nicht nur starr fort, sondern es sind auch komplexe Bewegungen möglich“, sagt Yigit. Mit einem rotierenden Magnetfeld steuern die beiden die Räder und treiben das Mikroauto an. Die Fähigkeit komplexer Bewegungen und verschiedenster Fortbewegungsarten ist der entscheidende Vorteil der Roboter für den Einsatz in der Medizin. Durch ihre Variabilität sollen die Roboter bald als Medizinlieferanten oder zum Aufspüren und Bekämpfen von Tumoren zum Einsatz kommen. Das Ziel: Krankheiten weitaus schneller und effizienter besiegen. Die Idee, über chemische Reaktionen und magnetische Partikel Mikromaschinen zu konfigurieren, gibt es schon länger. „Wir haben an die magnetische Selbstkonfigurierung angeknüpft und einen Schritt weitergedacht“, erzählt Yigit. Durch die Methode von Alapan und Yigit ist es nun möglich, mehrere Roboter gleichzeitig zu bauen und zu steuern.

„Unser Ziel ist, dass unsere Mikroroboter künftig ein fester Bestandteil medizinischer Behandlungen werden. Dass sie Tumore bekämpfen können oder Medikamente im menschlichen Körper gezielt transportieren“, so Alapans Vision. „Wir forschen gerade daran, welches Material sich am besten dafür eignet.“ Synthetische Materialien nimmt der menschliche Körper als Fremdkörper wahr und attackiert sie. Die Roboter werden also ineffektiv. Und es gibt weitere Faktoren zu beachten: Wie funktionieren die Mikromaschinen mit absoluter Fehlerfreiheit? Wie soll ein Mikroroboter einen Tumor, der das 100-Fache seiner Größe beträgt, bekämpfen? Wie kann ein so kleiner Mikroroboter im menschlichen Körper bildlich verfolgt werden? Alapan und Yigit sind zuversichtlich: „Es wird sehr viel geforscht. Wir sehen in der Zukunft Hunderte bis Tausende Mikroroboter wie in einem Bienenschwarm zusammenarbeiten und der Medizin neue Möglichkeiten eröffnen.“