„Ein Laufroboter, der klein genug ist, um mit Licht zu interagieren und es zu formen, nimmt die Linse eines Mikroskops und bringt sie direkt in die Mikrowelt“, sagte Paul McEuen, der emeritierte John A. Newman-Professor für physikalische Wissenschaften am College of Arts and Sciences (A&S), der das Team leitete. „Es kann Nahaufnahmen in einer Weise machen, wie es ein normales Mikroskop niemals könnte,“ fügt er hinzu. Cornell-Wissenschaftler halten bereits den Weltrekord für den kleinsten Laufroboter der Welt mit 40 bis 70 μmn. Die neuen diffraktiven Roboter „werden diesen Rekord in den Schatten stellen“, so Itai Cohen, Professor für Physik (A&S) und Mitautor der Studie. „Diese Roboter sind 5 μm bis 2 μm groß. Sie sind winzig. Und wir können sie dazu bringen, alles zu tun, was wir wollen, indem wir die Magnetfelder steuern, die ihre Bewegungen antreiben.“
Die diffraktive Robotik verbindet zum ersten Mal ungebundene Roboter mit bildgebenden Verfahren, die auf der Beugung von sichtbarem Licht beruhen – der Biegung einer Lichtwelle, wenn sie durch eine Öffnung oder um etwas herum läuft. Für das bildgebende Verfahren ist eine Öffnung erforderlich, deren Größe mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar ist. Damit die Optik funktioniert, müssen die Roboter diese Größe haben, und damit die Roboter die abzubildenden Ziele erreichen können, müssen sie sich selbständig bewegen können. Das Cornell-Team hat beide Ziele erreicht. Gesteuert von Magneten, die eine kneifende Bewegung ausführen, können sich die Roboter auf einer festen Oberfläche vorwärts bewegen. Mit der gleichen Bewegung können sie auch durch Flüssigkeiten „schwimmen“.
Die Kombination aus Manövrierfähigkeit, Flexibilität und subdiffraktiver optischer Technologie stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Robotik dar, so die Forscher. „Ich bin wirklich begeistert von dieser Konvergenz von Mikrorobotik und Mikrooptik“, sagte Mitautor Francesco Monticone, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik in Cornell Engineering, der die optischen diffraktiven Elemente entworfen und dem Team geholfen hat, Anwendungen zu finden. „Die Miniaturisierung der Robotik hat endlich einen Punkt erreicht, an dem diese aktivierenden mechanischen Systeme mit dem Licht interagieren und es aktiv formen können, und zwar auf der Skala von nur wenigen Wellenlängen – eine Million Mal kleiner als 1 m.“
Roboter als Erweiterung der Mikroskoplinse
Um Roboter in dieser Größenordnung magnetisch anzutreiben, versah das Team die Roboter mit Hunderten von Magneten im Nanometermaßstab, die ein gleiches Volumen an Material, aber zwei verschiedene Formen haben – lang und dünn oder kurz und stummelig. Die Idee, so Cohen, stammt von dem Physiker Jizhai Cui von der Fudan-Universität. „Die langen, dünnen benötigen ein größeres Magnetfeld, um sie von der einen in die andere Richtung zu drehen, während die kurzen, stummeligen ein kleineres Feld benötigen“, so Cohen. „Das bedeutet, dass man ein großes Magnetfeld anlegen kann, um sie alle auszurichten, aber wenn man ein kleineres Magnetfeld anlegt, dreht man nur die kurzen, stummeligen um.“ Die Cornell-Wissenschaftler kombinierten dieses Prinzip mit sehr dünnen Filmen, die in der Cornell Nanoscale Science and Technology Facility entwickelt wurden, um die Roboter herzustellen.
Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung der Optik bestand darin, den am besten geeigneten Ansatz für die drei Aufgaben – Abstimmung des Lichts, Fokussierung und superauflösende Bildgebung – für diese spezielle Plattform zu finden, denn „verschiedene Ansätze haben unterschiedliche Leistungsabwägungen, je nachdem, wie sich der Mikroroboter bewegen und seine Form verändern kann“, so Monticone. Es ist von Vorteil, wenn man die Beugungselemente mechanisch bewegen kann, um die Abbildung zu verbessern, so Cohen. Der Roboter selbst kann als Beugungsgradierer verwendet werden, oder es kann eine beugende Linse hinzugefügt werden. Auf diese Weise können die Roboter als lokale Erweiterung der Mikroskoplinse fungieren, die von oben nach unten schaut.
Die Roboter messen die Kräfte, indem sie die gleiche magnetgetriebene Quetschbewegung nutzen, die ihnen das Laufen ermöglicht, um gegen Strukturen zu drücken. „Diese Roboter sind sehr nachgiebige Federn. Wenn also etwas gegen sie stößt, kann der Roboter zusammendrücken“, so Cohen. „Das verändert das Beugungsmuster, und das können wir sehr gut messen.“
Einsatzgebiete
Die Kraftmessung und die optischen Fähigkeiten können in der Grundlagenforschung eingesetzt werden, zum Beispiel bei der Erforschung der Struktur der DNA, so die Forscher. Sie könnten aber auch im klinischen Umfeld eingesetzt werden. „Mit Blick auf die Zukunft kann ich mir vorstellen, dass Schwärme von diffraktiven Mikrobots superauflösende Mikroskopie und andere Erfassungsaufgaben durchführen, während sie über die Oberfläche einer Probe laufen“, so Monticone. „Ich denke, wir kratzen gerade erst an der Oberfläche dessen, was mit diesem neuen Paradigma möglich ist, das Robotik und optische Technik auf der Mikroskala verbindet.“
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