Mikrobotik

Mikrobotik (oder Mikrorobotik) ist das Fachgebiet der Miniatur-Robotik, insbesondere mobiler Roboter mit charakteristischen Abmessungen von weniger als 1 mm.[1]

Geschichte

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Mikrobots (oder Mikroroboter) entstanden dank des Aufkommens des Mikrocontrollers im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts und der Einführung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) auf Siliziumbasis. Viele Mikrobots verwenden jedoch außer Sensoren kein Silizium für mechanische Komponenten. Die ersten Forschungen und Konzeptionen solcher kleinen Roboter fanden Anfang der 1970er Jahre im Rahmen (damals) geheimer Forschungsarbeiten für US-Geheimdienste statt. Zu den damals vorgesehenen Anwendungen gehörten die Rettung von Kriegsgefangenen und elektronische Abfangmissionen. Die zugrundeliegenden Miniaturisierungstechnologien waren damals noch nicht vollständig entwickelt, sodass die Entwicklung von Prototypen nach diesen frühen Berechnungen und Konzepten noch nicht unmittelbar vorankam.[2]

Die Entwicklung drahtloser Verbindungen, insbesondere von WLAN (z. B. in Heimnetzwerken), hat die Kommunikationskapazität von Mikrobots erheblich verbessert und damit auch ihre Fähigkeit, sich mit anderen Mikrobots zu koordinieren und komplexere Aufgaben auszuführen. Tatsächlich konzentriert sich ein Großteil der jüngsten Forschung auf die Kommunikation von Mikrobots, darunter ein Schwarm von 1024 Robotern an der Harvard University, der sich selbst zu verschiedenen Formen zusammensetzt;[3] und die Herstellung von Mikrobots bei SRI International für das Programm „MicroFactory for Macro Products“ der DARPA, die leichte, hochfeste Strukturen bauen können.[4][5]

Es gibt auch Mikrobots aus biologischem Gewebe anstelle von Metall und Elektronik – so etwa Xenobots.[6] Xenobots vermeiden einige der technologischen und ökologischen Komplikationen herkömmlicher Mikrobots, da sie energieautark, biologisch abbaubar und biokompatibel sind.

Definitionen

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Obwohl das Präfix „Mikro“ subjektiv im Sinne von „klein“ verwendet wurde, vermeidet die Standardisierung auf Längenskalen Verwirrung. Ein Nanoroboter hätte also charakteristische Abmessungen von einem Mikrometer oder weniger oder könnte Komponenten im Größenbereich von einem bis 1000 nm manipulieren. Ein Mikroroboter hätte charakteristische Abmessungen von weniger als 1 Millimeter, ein Millirobot hätte Abmessungen von weniger als einem Zentimeter, ein Miniroboter hätte Abmessungen von weniger als 10 cm.[7]

Designüberlegungen

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Die Fortbewegung von Mikrorobotern hängt von ihrem Zweck und der erforderlichen Größe ab. Im Submikrometerbereich erfordert die physikalische Welt recht bizarre Fortbewegungsmethoden. Die Reynoldszahl für fliegende Roboter ist kleiner als eins; die Viskositätskräfte dominieren die Trägheitskräfte. Daher könnte das „Fliegen“ die Viskosität der Luft anstelle des Bernoullischen Auftriebsprinzips nutzen. Roboter, die sich durch Flüssigkeiten bewegen, benötigen möglicherweise rotierende Flagellen, wie die bewegliche Form von Escherichia coli. Das Hüpfen ist unauffällig und energieeffizient; es ermöglicht dem Roboter, sich auf den Oberflächen unterschiedlichsten Terrains zurechtzufinden.[8] Mit neuen Berechnungen untersuchten Solem 1994 mögliche Verhaltensweisen basierend auf physikalischen Gegebenheiten.[9]

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines Mikroroboters besteht darin, Bewegung mit einer sehr begrenzten Stromversorgung zu erreichen. Die Mikroroboter können eine kleine, leichte Batteriequelle wie eine Knopfzelle nutzen oder Energie in Form von Vibrationen oder Lichtenergie aus der Umgebung aufnehmen.[10] Mikroroboter nutzen mittlerweile auch biologische Motoren als Energiequellen, wie zum Beispiel die geißelartige „Serratia marcescens“, die chemische Energie aus der umgebenden Flüssigkeit ziehen und so den Roboter antreiben. Diese Bioroboter können direkt durch Reize wie Chemotaxis oder Galvanotaxis gesteuert werden, wobei verschiedene Steuerungsschemata zur Verfügung stehen. Eine beliebte Alternative zu einer integrierten Batterie ist die Stromversorgung der Roboter durch extern induzierte Energie. Beispiele hierfür sind die Nutzung elektromagnetischer Felder,[11] Ultraschall und Licht zur Aktivierung und Steuerung von Mikrorobotern.[12]

Typen und Anwendungen

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Biohybride bakterielle Mikroschwimmer[13]
Biohybrides Diatomit-Mikroschwimmer-Drug-Delivery-System
Kieselalgenschalenoberfläche, funktionalisiert mit photoaktivierbaren Molekülen (orangefarbene Kugeln), die mit Vitamin B-12 (rote Kugel) verknüpft sind und als tumorspezifische Markierung fungieren. Das System kann mit Chemotherapeutika (hellblaue Kugeln) beladen werden, die gezielt an Darmkrebszellen abgegeben werden können. Darüber hinaus können Kieselalgen-Mikropartikel photoaktiviert werden, um Kohlenmonoxid oder freie Radikale zu erzeugen, die die Apoptose von Tumorzellen induzieren.[14][15]

Aufgrund ihrer geringen Größe sind Mikroroboter potenziell sehr günstig und könnten in großer Zahl (Schwarmrobotik) eingesetzt werden, um Umgebungen zu erkunden, die für Menschen oder größere Roboter zu klein oder zu gefährlich sind. Es wird erwartet, dass Mikroroboter beispielsweise bei der Suche nach Überlebenden in eingestürzten Gebäuden nach einem Erdbeben oder beim Durchkriechen des Verdauungstrakts nützlich sein werden. Was Mikrorobotern an Muskelkraft oder Rechenleistung fehlt, können sie durch den Einsatz großer Zahlen, wie beispielsweise in Mikroroboterschwärmen, wettmachen. Bioinspirierte Mikroroboter haben sich als bahnbrechendes Werkzeug bei der Suche nach präziser Medikamentenverabreichung erwiesen.[16] Diese mikroskopischen Roboter sind darauf ausgelegt, den menschlichen Körper mit einer bisher unvorstellbaren Präzision zu navigieren.[16]

Zu potenzielle Anwendungensbereichen mit demonstrierten Prototypen gehören:

Medizinische Mikroroboter

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Biohybride Mikroschwimmer, die hauptsächlich aus integrierten biologischen Aktoren und synthetischen Ladungsträgern bestehen, haben sich kürzlich als vielversprechend für minimalinvasive theranostische Anwendungen erwiesen.[17][18][19][20]

Es gibt beispielsweise biokompatible Mikroroboter auf Basis von Mikroalgen für die Gezielte Arzneimittelverabreichung im Gehirn,[16] der Lunge und im Magen-Darm-Trakt,[21][22][23] sowie magnetisch gesteuerte, künstlich hergestellte bakterielle Mikrobots für 'präzises Targeting'[24] zur Bekämpfung von Krebs,[25][26] die alle an Mäusen getestet wurden.

Verschiedene Mikroorganismen, darunter Bakterien,[27][28] Mikroalgen,[29][30] und Spermiene,[31][32] wurden genutzt, um verschiedene biohybride Mikroschwimmer mit fortschrittlichen medizinischen Funktionen herzustellen, wie z. B. autonome Steuerung mit Umweltreizen zur Zielerfassung, Navigation durch enge Lücken und Ansammlung in nekrotischen Regionen von Tumorumgebungen.[33] Lenkbarkeit der synthetischen Frachtträger mit weitreichenden externen Feldern, wie akustischen oder magnetischen Feldern,[34][35] und intrinsisches Taxisverhalten der biologischen Aktuatoren gegenüber verschiedenen Umweltreizen, wie z. B. Chemoattraktanten,[36] Säure und Sauerstoff,[37][38] machen biohybride Mikroschwimmer zu einem vielversprechenden Kandidaten für ein breites Spektrum medizinischer Anwendungen im aktiven Frachttransport.[33][13]

Siehe auch

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Einzelnachweise

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  1. ↑ Erica Doutel, Francisco J. Galindo-Rosales, Laura Campo-Deaño: Hemodynamics Challenges for the Navigation of Medical Microbots for the Treatment of CVDs. In: Materials (Basel, Switzerland). Band 14, Nr. 23, 2021, ISSN 1996-1944, S. 7402, doi:10.3390/ma14237402, PMID 34885556 (nih.gov).
  2. ↑ J. C. Solem: The application of microrobotics in warfare. In: Los Alamos National Laboratory Technical Report LAUR-96-3067. 1996, doi:10.2172/369704 (englisch, osti.gov).
  3. ↑ Sabine Hauert: Thousand-robot swarm assembles itself into shapes In: Ars Technica, 14. August 2014. Abgerufen am 24. August 2014 (englisch). 
  4. ↑ Ria Misra: This Swarm Of Insect-Inspired Microbots Is Unsettlingly Clever In: io9, 22. April 2014. Abgerufen am 24. August 2014 (englisch). 
  5. ↑ James Temple: SRI Unveils Tiny Robots Ready to Build Big Things (Memento des Originals vom 25. August 2014 im Webarchiv archive.today) In: re/code, 16. April 2014. Abgerufen am 24. August 2014 (englisch). 
  6. ↑ Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, Josh Bongard: A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 117. Jahrgang, Nr. 4, 2020, S. 1853–1859, doi:10.1073/pnas.1910837117, PMID 31932426, PMC 6994979 (freier Volltext), bibcode:2020PNAS..117.1853K (englisch).
  7. ↑ Microrobotics: Tiny Robots and Their Many Uses | Built In. In: builtin.com. Abgerufen am 26. Januar 2024 (englisch).
  8. ↑ J. C. Solem: Artificial Life III: Proceedings of the Workshop on Artificial Life, June 1992, Santa Fe, NM. Hrsg.: Langton, C. (= Proceedings, Santa Fe Institute studies in the sciences of complexity. Band 17). Santa Fe Institute Studies in the Sciences of Complexity (Addison-Wesley, Reading, MA), 1994, The motility of microrobots, S. 359–380 (englisch, stanford.edu).
  9. ↑ Lars Kroll Kristensen: Artificial Life VII: Proceedings of the Seventh International Conference on Artificial Life. MIT Press, 2000, ISBN 978-0-262-52290-8, Aintz: A study of emergent properties in a model of ant foraging, S. 359 (englisch, google.com).
  10. ↑ Bridgette Meinhold: Swarms of Solar Microbots May Revolutionize Data Gathering In: Inhabitat, 31. August 2009 (englisch). 
  11. ↑ Ecole Polytechnique Federale de Lausanne: Researchers develop smart micro-robots that can adapt to their surroundings In: via Phys.org, 18. Januar 2019 (englisch). 
  12. ↑ Suk Tai Chang, Vesselin N. Paunov, Dimiter N. Petsev, Orlin D. Velev: Remotely powered self-propelling particles and micropumps based on miniature diodes. In: Nature Materials. 6. Jahrgang, Nr. 3, März 2007, ISSN 1476-1122, S. 235–240, doi:10.1038/nmat1843, PMID 17293850, bibcode:2007NatMa...6..235C (englisch).
  13. ↑ a b Nicole Buss, Oncay Yasa, Yunus Alapan, Mukrime Birgul Akolpoglu, Metin Sitti: Nanoerythrosome-functionalized biohybrid microswimmers. In: APL Bioengineering. 4. Jahrgang, Nr. 2, 2020, S. 026103, doi:10.1063/1.5130670, PMID 32548539, PMC 7141839 (freier Volltext) – (englisch). Das Material wurde aus dieser Quelle kopiert, die unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License.
  14. ↑ Joachim Delasoie, Philippe Schiel, Sandra Vojnovic, Jasmina Nikodinovic-Runic, Fabio Zobi: Photoactivatable Surface-Functionalized Diatom Microalgae for Colorectal Cancer Targeted Delivery and Enhanced Cytotoxicity of Anticancer Complexes. In: Pharmaceutics. 12. Jahrgang, Nr. 5. MDPI AG, 25. Mai 2020, ISSN 1999-4923, S. 480, doi:10.3390/pharmaceutics12050480, PMID 32466116, PMC 7285135 (freier Volltext) – (englisch). Material was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
  15. ↑ Chiara Tramontano, Giovanna Chianese, Monica Terracciano, Luca de Stefano, Ilaria Rea: Nanostructured Biosilica of Diatoms: From Water World to Biomedical Applications. In: Applied Sciences. 10. Jahrgang, Nr. 19. MDPI AG, 28. September 2020, ISSN 2076-3417, S. 6811, doi:10.3390/app10196811 (englisch). Material was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
  16. ↑ a b c Shampa Ghosh, Rakesh Bhaskar, Richa Mishra, M. Arockia Babu, Mosleh Mohammad Abomughaid, Niraj Kumar Jha, Jitendra Kumar Sinha: Neurologische Erkenntnisse zur gehirnspezifischen Krebstherapie und bioinspirierten Mikrorobotern. In: Drug Discovery Today. 29. Jahrgang, Nr. 9, September 2024, ISSN 1878-5832, S. 104105, doi:10.1016/j.drudis.2024.104105, PMID 39029869 (englisch, nih.gov).
  17. ↑ Zeinab Hosseinidoust, Babak Mostaghaci, Oncay Yasa, Byung-Wook Park, Ajay Vikram Singh, Metin Sitti: Bioengineered and biohybrid bacteria-based systems for drug delivery. In: Advanced Drug Delivery Reviews. 106. Jahrgang, Pt A, 2016, S. 27–44, doi:10.1016/j.addr.2016.09.007, PMID 27641944 (englisch).
  18. ↑ Lukas Schwarz, Mariana Medina-Sánchez, Oliver G. Schmidt: Hybrid Bio Micromotors. In: Applied Physics Reviews. 4. Jahrgang, Nr. 3, 2017, S. 031301, doi:10.1063/1.4993441, bibcode:2017ApPRv...4c1301S (englisch).
  19. ↑ Julio Bastos-Arrieta, Ainhoa Revilla-Guarinos, William E. Uspal, Juliane Simmchen: Bakterielle biohybride Mikroschwimmer. In: Frontiers in Robotics and AI. 5. Jahrgang, 2018, S. 97, doi:10.3389/frobt.2018.00097, PMID 33500976, PMC 7805739 (freier Volltext) – (englisch).
  20. ↑ Pelin Erkoc, Immihan C. Yasa, Hakan Ceylan, Oncay Yasa, Yunus Alapan, Metin Sitti: Mobile Microrobots for Active Therapeutic Delivery. In: Advanced Therapeutics. 2. Jahrgang, 2019, doi:10.1002/adtp.201800064 (englisch).
  21. ↑ Algae micromotors join the ranks for targeted drug delivery In: Chemical & Engineering News. Abgerufen am 19. Oktober 2022 (englisch). 
  22. ↑ Fangyu Zhang, Jia Zhuang, Zhengxing Li, Hua Gong, Berta Esteban-Fernández de Ávila, Yaou Duan, Qiangzhe Zhang, Jiarong Zhou, Lu Yin, Emil Karshalev, Weiwei Gao, Victor Nizet, Ronnie H. Fang, Liangfang Zhang, Joseph Wang: Nanoparticle-modified microrobots for in vivo antibiotic delivery to treat acute bacterial pneumonia. In: Nature Materials. 21. Jahrgang, Nr. 11, 22. September 2022, ISSN 1476-4660, S. 1324–1332, doi:10.1038/s41563-022-01360-9, PMID 36138145, PMC 9633541 (freier Volltext), bibcode:2022NatMa..21.1324Z (englisch).
  23. ↑ Fangyu Zhang, Zhengxing Li, Yaou Duan, Amal Abbas, Rodolfo Mundaca-Uribe, Lu Yin, Hao Luan, Weiwei Gao, Ronnie H. Fang, Liangfang Zhang, Joseph Wang: Gastrointestinal tract drug delivery using algae motors embedded in a degradable capsule. In: Science Robotics. 7. Jahrgang, Nr. 70, 28. September 2022, ISSN 2470-9476, S. eabo4160, doi:10.1126/scirobotics.abo4160, PMID 36170380, PMC 9884493 (freier Volltext) – (englisch).
  24. ↑ Christine K. Schmidt, Mariana Medina-Sánchez, Richard J. Edmondson, Oliver G. Schmidt: Entwicklung von Mikrorobotern für gezielte Krebstherapien aus medizinischer Sicht. In: Nature Communications. 11. Jahrgang, Nr. 1, 5. November 2020, ISSN 2041-1723, S. 5618, doi:10.1038/s41467-020-19322-7, PMID 33154372, PMC 7645678 (freier Volltext), bibcode:2020NatCo..11.5618S (englisch).
  25. ↑ Joanna Thompson: These tiny magnetic robots can infiltrate tumors — and maybe destroy cancer In: Inverse. Abgerufen am 21. November 2022 (englisch). 
  26. ↑ T. Gwisai, N. Mirkhani, M. G. Christiansen, T. T. Nguyen, V. Ling, S. Schuerle: Magnetic torque–driven living microrobots for increased tumor infiltration. In: Science Robotics. 7. Jahrgang, Nr. 71, 26. Oktober 2022, ISSN 2470-9476, S. eabo0665, doi:10.1126/scirobotics.abo0665, PMID 36288270 (englisch).
  27. ↑ Byung-Wook Park, Jiang Zhuang, Oncay Yasa, Metin Sitti: Multifunctional Bacteria-Driven Microswimmers for Targeted Active Drug Delivery. In: ACS Nano. 11. Jahrgang, Nr. 9, 2017, S. 8910–8923, doi:10.1021/acsnano.7b03207, PMID 28873304 (englisch).
  28. ↑ Ajay Vikram Singh, Zeinab Hosseinidoust, Byung-Wook Park, Oncay Yasa, Metin Sitti: Microemulsion-Based Soft Bacteria-Driven Microswimmers for Active Cargo Delivery. In: ACS Nano. 11. Jahrgang, Nr. 10, 2017, S. 9759–9769, doi:10.1021/acsnano.7b02082, PMID 28858477 (englisch).
  29. ↑ D. B. Weibel, P. Garstecki, D. Ryan, W. R. Diluzio, M. Mayer, J. E. Seto, G. M. Whitesides: Microoxen: Mikroorganismen zur Bewegung mikroskopischer Lasten. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 102. Jahrgang, Nr. 34, 2005, S. 11963–11967, doi:10.1073/pnas.0505481102, PMID 16103369, PMC 1189341 (freier Volltext), bibcode:2005PNAS..10211963W (englisch).
  30. ↑ Oncay Yasa, Pelin Erkoc, Yunus Alapan, Metin Sitti: Microalga-Powered Microswimmers toward Active Cargo Delivery. In: Advanced Materials. 30. Jahrgang, Nr. 45, 2018, S. e1804130, doi:10.1002/adma.201804130, PMID 30252963, bibcode:2018AdM....3004130Y (englisch).
  31. ↑ Haifeng Xu, Mariana Medina-Sánchez, Veronika Magdanz, Lukas Schwarz, Franziska Hebenstreit, Oliver G. Schmidt: Sperm-Hybrid Micromotor for Targeted Drug Delivery. In: ACS Nano. 12. Jahrgang, Nr. 1, 2018, S. 327–337, doi:10.1021/acsnano.7b06398, PMID 29202221, arxiv:1703.08510 (englisch).
  32. ↑ Chuanrui Chen, Xiaocong Chang, Pavimol Angsantikul, Jinxing Li, Berta Esteban-Fernández De Ávila, Emil Karshalev, Wenjuan Liu, Fangzhi Mou, Sha He, Roxanne Castillo, Yuyan Liang, Jianguo Guan, Liangfang Zhang, Joseph Wang: Chemotaktische Steuerung von synthetischen organischen/anorganischen Nutzlasten funktionalisierten Spermien-Mikromotoren. In: Advanced Biosystems. 2. Jahrgang, 2018, doi:10.1002/adbi.201700160.
  33. ↑ a b Yunus Alapan, Oncay Yasa, Berk Yigit, I. Ceren Yasa, Pelin Erkoc, Metin Sitti: Mikrorobotik und Mikroorganismen: Biohybride autonome zelluläre Roboter. In: Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems. 2. Jahrgang, 2019, S. 205–230, doi:10.1146/annurev-control-053018-023803.
  34. ↑ Zhiguang Wu, Tianlong Li, Jinxing Li, Wei Gao, Tailin Xu, Caleb Christianson, Weiwei Gao, Michael Galarnyk, Qiang He, Liangfang Zhang, Joseph Wang: Turning Erythrocytes into Functional Micromotors. In: ACS Nano. 8. Jahrgang, Nr. 12, 2014, S. 12041–12048, doi:10.1021/nn506200x, PMID 25415461, PMC 4386663 (freier Volltext) – (englisch).
  35. ↑ Yunus Alapan, Oncay Yasa, Oliver Schauer, Joshua Giltinan, Ahmet F. Tabak, Victor Sourjik, Metin Sitti: Soft erythrocyte-based bacterial microswimmers for cargo delivery. In: Science Robotics. 3. Jahrgang, Nr. 17, 2018, doi:10.1126/scirobotics.aar4423, PMID 33141741 (englisch).
  36. ↑ Jiang Zhuang, Metin Sitti: Chemotaxis von biohybriden, von mehreren Bakterien angetriebenen Mikroschwimmern. In: Scientific Reports. 6. Jahrgang, 2016, S. 32135, doi:10.1038/srep32135, PMID 27555465, PMC 4995368 (freier Volltext), bibcode:2016NatSR...632135Z.
  37. ↑ Jiang Zhuang, Rika Wright Carlsen, Metin Sitti: PH-Taxis of Biohybrid Microsystems. In: Scientific Reports. 5. Jahrgang, 2015, S. 11403, doi:10.1038/srep11403, PMID 26073316, PMC 4466791 (freier Volltext), bibcode:2015NatSR...511403Z (englisch).
  38. ↑ Ouajdi Felfoul, Mahmood Mohammadi, Samira Taherkhani, Dominic De Lanauze, Yong Zhong Xu, Dumitru Loghin, Sherief Essa, Sylwia Jancik, Daniel Houle, Michel Lafleur, Louis Gaboury, Maryam Tabrizian, Neila Kaou, Michael Atkin, Té Vuong, Gerald Batist, Nicole Beauchemin, Danuta Radzioch, Sylvain Martel: Magneto-aerotactic bacteria deliver drug-containing nanoliposomes to tumour hypoxic regions. In: Nature Nanotechnology. 11. Jahrgang, Nr. 11, 2016, S. 941–947, doi:10.1038/nnano.2016.137, PMID 27525475, PMC 6094936 (freier Volltext), bibcode:2016NatNa..11..941F (englisch).