Forschern gelingt Entwicklung mikroskopisch kleiner, autonomer Roboter

Forscherteams der University of Pennsylvania (UPenn) und der University of Michigan (UMich) haben im Dezember 2025 einen signifikanten Fortschritt in der Robotik erzielt: die Entwicklung der weltweit kleinsten, vollständig programmierbaren und autonomen Roboter. Diese mikroskopischen Schwimmmaschinen, die für das bloße Auge kaum sichtbar sind, können ihre Umgebung selbstständig erfassen und darauf reagieren und dabei eine Funktionsfähigkeit über mehrere Monate hinweg demonstrieren. Die winzigen Apparate messen etwa 200 mal 300 mal 50 Mikrometer und bewegen sich damit in einer Größenordnung, die vielen biologischen Mikroorganismen entspricht.

Die wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Arbeit wurden zeitgleich in den Fachjournalen Science Robotics und den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) publiziert. Die Fähigkeit dieser Roboter, über einen derart langen Zeitraum autonom zu agieren, stellt die Überwindung einer wissenschaftlichen Herausforderung dar, die die Forschung über vier Jahrzehnte beschäftigte. Marc Miskin, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Systemtechnik an der Penn Engineering und leitender Autor der Veröffentlichungen, hob die Bedeutung dieser Leistung hervor, indem er feststellte, dass autonome Roboter zehntausendmal kleiner geschaffen wurden.

Aufgrund der im mikroskopischen Bereich dominierenden Physik, wo Viskosität und Reibung herrschen – was Miskin als Bewegung in Teer beschrieb – mussten die Forscher ein neuartiges Antriebssystem entwickeln, da herkömmliche Methoden nicht anwendbar waren. Technisch sind diese Einheiten mit vollständig integrierten elektronischen Sensoren und einem Bordcomputer ausgestattet, dessen Steuerungseinheit an der University of Michigan entwickelt wurde. Dies ermöglicht es ihnen, lokale Temperaturveränderungen mit einer Präzision von bis zu einem Drittel Grad Celsius zu detektieren und ihre Bewegungspfade ohne externe Steuerung anzupassen.

Die Energieversorgung wird durch integrierte Solarzellen gewährleistet, die durch Licht aktiviert werden, wodurch externe Kabel oder magnetische Felder für den Betrieb entfallen. Die Roboter können komplexe Bewegungsmuster ausführen und sogar in koordinierten Gruppen agieren, vergleichbar mit einem Fischschwarm, mit Geschwindigkeiten von bis zu einer Körperlänge pro Sekunde. Der Antrieb basiert auf einem elektrokinetischen System, das ein elektrisches Feld erzeugt, welches Ionen in der umgebenden Flüssigkeit anstößt und so die Bewegung des Roboters bewirkt. Da die Elektroden keine beweglichen Teile aufweisen, zeigen die Roboter eine hohe Robustheit und können mehrfach ohne Beschädigung transferiert werden.

Die Forscher, die auch Unterstützung von der National Science Foundation erhielten, sehen erhebliche Anwendungspotenziale in der Medizin, beispielsweise bei der Überwachung der Gesundheit einzelner Zellen durch die Erfassung von Temperaturänderungen als Aktivitätsproxys. Über biomedizinische Anwendungen hinaus eröffnen diese mikroskopischen Systeme neue Wege in der Fertigung, indem sie bei der Konstruktion von Mikrogeräten in industriellen Prozessen assistieren können. Obwohl Einschränkungen bestehen, wie die Abhängigkeit von speziell abgestimmten Flüssigkeiten und die Notwendigkeit kontinuierlicher Beleuchtung für Energie und Programmspeicher, ebnet dieser Erfolg den Weg für zukünftige Entwicklungen, etwa die gezielte Verabreichung von Wirkstoffen.