Autonome Mikrowelt Erstmals gelingt die Kommunikation und Koordination von Mikrorobotern

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Ein Forschungsteam der TU Chemnitz demonstrierte erstmalig, wie die autonome Kommunikation und das koordiniertes Verhalten von elektronischen Robotern auf der Mikroskala funktioniert ...

Einen, wie betont wird, wichtigen Schritt hin zu „intelligenten“ Mikrorobotersystemen hat ein Team des Forschungszentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) der Technischen Universität Chemnitz erreicht. Denn es konnte eine neue Generation autonomer Mikroroboter entwickelt werden – sogenannte Smartlets. Diese Winzlinge können etwa in wässrigen Umgebungen kommunizieren, agieren und koordiniert zusammenarbeiten. Diese würfelartigen Miniroboter, jeder hat nur etwa eine Kantenlänge von einem Millimeter, tragen Elektronik, Sensoren, Aktoren und Energiesysteme. So sind in der Lage, optische Signale zu empfangen und zu senden, auf Reize mit Bewegungen zu reagieren und Informationen mit anderen Mikrorobotern in ihrer Umgebung auszutauschen, heißt es dazu.

Mikroroboter interagieren erstmals miteinander

Im Gegensatz zu früheren Generationen bisheriger Mikroroboter, die auf viel größere drahtlose Steuerungssysteme angewiesen sind, um die eingeschränkte Funktionalität quasi an Bord auszugleichen, werden Smartlet-Mikroroboter durch integrierte Photovoltaikzellen mit Strom versorgt, von winzigen Mikrochips gesteuert und durch Mikro-LED und -Fotodioden optisch kommunikationsfähig. Zum ersten Mal demonstriere man mit diesem Konzept eine in sich geschlossene Mikrorobotereinheit, die nicht nur auf Reize reagiere und sich fortbewege, sondern auch mit anderen Mikrorobotern auf programmierbare und autonome Weise interagiere. Die innovativen Mikroroboter werden nach einem flexiblen, vom japanischen Origami-Prinzip inspirierten Ansatz hergestellt.

Dieser basiert auf multifunktionalen, mehrschichtig strukturierten Materialien. So könne sich das zunächst flache, in der Ebene auf einer Waver-Oberfläche hergestellte elektronische System von selbst zu einem winzigen hohlen 3D-Würfel zusammenfalten, der interne und externe Funktionen biete. Die Falttechnik schafft auch zusätzlichen Platz, der benötigt wird, damit jeder Würfel außer den interagierenden Außenflächen und der eigenen Fortbewegung auch einen eigenen Solarzelle, eine Rechenlogik und ein optisches Signalsystem mitführen kann.

Drahtloser Informationsaustausch ist sehr wichtig

Im Wasser können sich die Smartlets dann durch Kräfte, die von Blasen erzeugenden Motoren generiert werden, auf und ab bewegen. Denn die Blasen füllen dabei das hohle Innere des Smartlets mit mehr oder weniger Gas, das für Auftrieb sorgt, wie die Forscher erklären. Die Miniroboter können, wie gesagt, auch optische Signale aussenden, um Anweisungen an andere Smartlets in der Nähe zu übertragen. Smartlets ermöglichen also die Multi-Roboter-Interaktion im Wasser – einschließlich stimulierter Bewegung, Synchronisation und Koordination zwischen mehreren Smartlets. Wenn ein Smartlet etwa ein Lichtsignal empfange, könne es die Informationen per Prozessor decodieren, um eine entsprechende Bewegung oder ein koordiniertes Verhalten bei anderen auslösen. Eine der wichtigsten Innovationen bestehe darin, dass die Smartlets eine „drahtlose Kommunikationsschleife“ nutzten, für die keine externen Kameras, Magnete oder Antennen erforderlich seien. Optische Nachrichten werden dabei lokal auf jedem Mikroroboter mithilfe einer speziell programmierten Logik interpretiert, die auf ihren Mikrochips gespeichert ist. Die Smartlets nutzen dafür eine neuartige Soft-Bonding-Technik, um maßgeschneiderte mikroskopisch kleine Silizium-Chiplets, sogenannte Lablets, zu integrieren. Das alles erlaubt dann die dezentrale Steuerung und Zusammenarbeit der Smartlets – eine wesentliche Grundlage für Roboterkollektive, die sich koordiniert und dennoch flexibel verhalten. Und die Idee, Licht sowohl als Energielieferant als auch als Informationsträger zu nutzen, eröffne die Möglichkeit, kompakte und skalierbar verteilte Robotersysteme zu schaffen.

Wird die Vision vom künstlichen „Leben“ einmal wahr?

Die Anwendungsmöglichkeiten solcher Mikroroboter sind vielfältig. Weil sie kabellos, biokompatibel und in der Lage sind, auf Umwelteinflüsse zu reagieren, können Smartlets eines Tages etwa bei Aufgaben wie der Überwachung der Wasserqualität, der Durchführung minimalinvasiver medizinischer Diagnosen oder bei der Untersuchung begrenzter biologischer Umgebungen helfen, sagen die Forscher. Ihre Fähigkeit, interaktive, auf Reize reagierende Kolonien zu bilden, könnte auch in der Softrobotik, in autonomen Inspektionssystemen oder in verteilten Sensornetzwerken hilfreich werden. Mit Blick in die Zukunft stellt sich das Forschungsteam etwa vor, dass sich die Smartlets schrittweise zu dynamischen Systemen entwickeln, die Kolonien digitaler Organismen ähneln. So wie lebendige koloniale Organismen könnte dann jedes Smartlet eine spezialisierte Funktion übernehmen – Wahrnehmung, Kommunikation, Bewegung. Zusammen bilden sie dann ein kollektives robotisches Organismussystem, so die Vision. Und mit dem Bau derartiger, in sich geschlossener, kommunikativer Mikroroboter adressiere das Chemnitzer Team nicht nur grundlegende Herausforderungen der Mikrorobotik, sondern schaffe auch die Grundlage für zukünftige Systeme, die in der Lage sein könnten, selbstständig zu handeln, sich weiterzuentwickeln und sich in größeren Verbünden vielleicht sogar selbst zu organisieren.

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