Kleine, weiche Robo-Spinne soll eines Tages Herz-OPs durchführen

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Ein neues, MORPH genanntes Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung von wenigen Millimeter großen Softrobotern mit Merkmalen im Mikrometermaßstab, wie hier am Beispiel einer kleinen Softroboter-Pfauenspinne mit beweglichen Körperteilen sowie farbigen Augen und Bauch.
Ein neues, MORPH genanntes Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung von wenigen Millimeter großen Softrobotern mit Merkmalen im Mikrometermaßstab, wie hier am Beispiel einer kleinen Softroboter-Pfauenspinne mit beweglichen Körperteilen sowie farbigen Augen und Bauch. (Bild: Wyss Institute at Harvard University)

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Wissenschaftler der Universitäten Harvard und Boston haben mit einer Fertigungsmethode namens MORPH einen wenige Millimeter großen, multifunktionalen Softrobot entwickelt. Der einer Spinne nachempfundene Kleinst-Roboter ist hochflexibel und könnte unter anderem im menschlichen Körper für Operationen am Herzen eingesetzt werden.

Das klassische Bild eines Roboters ist starr und metallisch. Aber wenn sie jemals an der Seite von Menschen oder in rauen, für Menschen unwegsamen Umgebungen – wie beispielsweise im Menschen selbst - eingesetzt werden sollen, werden sie eine weichere Berührung brauchen. Daher arbeitet die Forschung schon seit einigen Jahren an sogenannten Softrobotern, die aus weichen und flexiblen Materialien bestehen und dennoch in der Lage sind, sich zu bewegen und mehrere Aufgaben zu vollbringen.

Harvard-Forscher haben nun eine neue Methode zur Herstellung weichen Roboter entwickelt. Diese erlaubt die Konstruktion von Softrobotern, die einige Millimeter groß sind und die ausgeprägte Merkmale in der Größe von nur wenigen Mikrometern. Als erstes Demonstrationsobjekt diente den Wissenschaftlern eine flexible, von einem Mikrofluidiksystem angetriebene Roboter-Pfauenspinne.

Eine komplett aus Silikon gefertigte Robo-Spinne

Das als MORPH (Microfluidic Origami for Reconfigurable Pneumatic/Hydraulic) bezeichnete Verfahren nutzt eine Soft-Lithographie, um zunächst die Roboterform vollständig aus 12 Schichten Silikon herzustellen. Anschließend werden mittels Laser-Mikrobearbeitung winzige Kanäle in den Körper des Roboters geätzt. Die Forscher nutzen anschließend eine „injektionsinduzierte Selbstfaltung" (injection induced self-folding) genannte Technik, mit der sie einige dieser Kanäle unter Druck setzen und mit Harz und UV-Licht aushärten, um die endgültige Roboterform zu bilden. Andere Mikrofluidikkanäle bleiben offen, so dass die Gliedmaßen des Roboters gezielt mit Flüssigkeit betätigt werden können. In ihrer im Video zu sehenden Demonstration nutzten die Wissenschaftler dafür gefärbtes Wasser, um einerseits die unterschiedlichen Zirkulationsläufe zu zeigen, und andererseits ihr Vorbild für den Roboter, die australischen Pfauenspinne, nachzuahmen.

„Die kleinsten Soft-Robotersysteme sind immer noch sehr einfach, mit meist nur einem Freiheitsgrad, was bedeutet, dass sie nur eine bestimmte Veränderung in Form oder Art der Bewegung auslösen können", sagt Studien-Co-Autorin Sheila Russo, Postdoc-Fellow in der Gruppe von Robert Wood am Harvard's Wyss Institute und der John A Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und derzeit Assistant Professor an der Boston University. „Durch die Entwicklung einer neuen Hybridtechnologie, die drei verschiedene Fertigungstechniken miteinander verbindet, haben wir eine weiche Roboterspinne aus Silikonkautschuk mit 18 Freiheitsgraden entwickelt, die Veränderungen in Struktur, Bewegung und Farbe umfasst und winzige Merkmale im Mikrometerbereich aufweist".

Speziell für Chirurgie und Biomedizin denkbar

Nach Ansicht der Forscher ist dies das erste Mal, dass ein flexibler Softroboter mit dieser Leistungsfähigkeit in einem so kleinen Maßstab geschaffen wurde. Zwar stellt der aktuelle Roboter derzeit nur eine Machbarkeitsstudie dar, die Wissenschaftler sind aber überzeugt, dass die Arbeit Potenzial für chirurgische und biomedizinische Anwendungen hat. „Der MORPH-Ansatz könnte den Bereich der Soft-Robotik für Forscher öffnen, die sich mehr auf medizinische Anwendungen konzentrieren, bei denen die kleinere Größe und Flexibilität dieser Roboter einen völlig neuen Ansatz in der Endoskopie und Mikrochirurgie ermöglichen könnte", sagte Donald Ingber, Gründungsdirektor des Wyss Institute und Professor für Bioengineering am SEAS. So könnte ein derartiger Softroboter etwa für kritische Operationen innerhalb des Menschlichen Körpers eingesetzt werden, bei denen metallische Instrumente zu gefährlich werden. Als Beispiel kämen Herzoperationen in Frage.

Auch für die Fertigung von Robotern, die in rauen, menschenfeindlichen Umgebungen zum Einsatz kommen. Auch für Wearables sei diese Fertigungsmethode vorstellbar.

Der Roboter ist Ergebnis einer mehrjährigen Studie, welche die Wissenschaftler kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht haben.

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