Die Wissenschaftler nahmen sich die Bewegung von Bakterien zum Vorbild. Ziel war es, mikroskopisch kleine künstliche Schwimmer zu entwickeln, die biologische Barrieren überwinden und sich durch Körperflüssigkeiten hindurch bewegen können, um so eine gezielte Therapie zu ermöglichen. Während lebende Zellen ihre Umgebung erfassen und sich anpassen können, fehlt den mechanischen Geräten diese Eigenschaft. Die Miniroboter sind jedoch intelligent, biokompatibel und besitzen eine hohe Flexibilität und lassen sich mittels elektromagnetischem Feld steuern.

„Die Natur hat eine Vielzahl von Mikroorganismen entwickelt, die ihre Form ändern, wenn sich ihre Umweltbedingungen ändern. Dieses Grundprinzip hat unser Mikroroboterdesign inspiriert “, sagt Bradley Nelson von der ETH Zürich. Die Roboter bestehen aus Hydrogel-Nanokompositen, diese enthalten magnetische Nanopartikel. Dadurch können sie in ihrer Bewegung mit einem magnetischen Controller gesteuert werden. Außerdem nutzen die Mikroroboter auch den Fluidstrom, um selbständig durch Hohlräume zu navigieren.

Die wenige Millimeter langen Wirkstofftransporter erinnern an ein flaches Band, das sich spiralförmig drehend durch verschiedene Flüssigkeiten fortbewegen kann. Die Spirale kann sich je nach Viskosität der Flüssigkeit ausweiten oder zusammenziehen, ohne dabei an Geschwindigkeit und Manövrierfähigkeit zu verlieren. Die programmierbaren selbstfaltenden Filme im Mikromaßstab sind nach dem Origigami-Prinzip aufgebaut. Die Forscher nutzen die Kirigami-Variante, um nachgiebige 3D-Mikrostrukturen aus einem weichem thermoresponsiven Gelkomposit zu entwicklen und zu falten. Dabei konzentrierten sich die Wissenschaftler auf drei verschiedene Kompositionen, die sie inspirierten – Caulobacter crescentus, Helicobacter pylori und Borrelia burgdorferi. Die Bakterien können dank ihrer rotierenden Propeller-artigen Organellen, den sogenannten Flagnellenfilamenten schwimmen. Die künstlichen Mikroschwimmer können diese Bewegung nachahmen, wenn das magnetische Moment senkrecht zur langen Achse steht.

Das Team arbeitet jetzt daran, die Anpassungsfähigkeit und Bewegung des Mikroroboters zu optimieren und so die Fähigkeit des Wirkstofftransporters, durch menschliche Flüssigkeiten zu schwimmen, zu verbessern. Die Miniroboter hätten bislang die Erwartungen erfüllt und könnten kostengünstig hergestellt werden.

Dr. Salvador Pané und seinen Kollegen vom Institut für Robotik und Intelligente Systeme (IRIS) der ETH Zürich war es bereits 2016 gelungen, winzige Partikel herzustellen, die durch Magnetfelder so präzise gesteuert werden können, dass Medikamente im Körper direkt zum Zielort gebracht werden können. Die Mikrostruktur kann durch eine einzige Energiequelle bewegt und gleichzeitig zur Erledigung einer weiteren Aufgabe gebracht werden. Bis dahin war dies nur unabhängig voneinander möglich. Pané und sein Team haben ihre Forschungsresultate in der Wissenschaftszeitschrift „Materials Horizons“ publiziert.

Pané beschäftigt sich seit Jahren mit Mikro- und Nanorobotern, die durch elektromagnetische Felder stimuliert werden. Manche dieser Materialien sind aus verschiedenen Schichten aufgebaut, die jeweils eine andere Reaktion auf das angelegte magnetische Feld zeigen. „Eine Schicht reagiert auf das Feld, indem sie sich deformiert. Diese Materialien sind magnetostriktiv“, erklärt Pané. „Durch die Deformation gerät die zweite, sogenannte piezolektrische Schicht unter Druck und erzeugt dadurch ein elektrisches Feld.“