Nanorobotik-Technologien: Chance für Medizin und Landwirtschaft?

Was nach Science-Fiction klingt, ist Realität. Denn Forscher der Northwestern University in Ilinois (USA) stellten vor Kurzem einen Roboter in Form einer winzigen Krabbe vor. Der Nanoroboter ist nur einen halben Millimeter breit und wird per Fernsteuerung bedient.

Biegen, verrenken, kriechen, laufen, drehen und sogar springen: all das gehört zum Bewegungs-Repertoire des Miniroboters. Darüber hinaus haben die Forscher weitere Versionen entwickelt, die Würmern, Grillen und Käfern ähneln. Zwar ist die Forschung derzeit noch explorativ – doch die Wissenschaftler glauben, dass diese Technologie bald vielfältig eingesetzt werden könnte. So beispielsweise auch in der Chirurgie, in der die Roboter verstopfte Arterien reinigen, Blutungen stoppen oder Krebstumore entfernen sollen. All diese medizinischen Verfahren würden damit minimal-invasiv. Außerdem könnten die Mini-Roboter für Aufgaben in engen Räumen, die Reparatur oder den Zusammenbau kleiner Strukturen oder Industriemaschinen infrage kommen.

Veröffentlicht wurden die Forschungsergebnisse in der Mai-Ausgabe der Zeitschrift Science Robotics. Im September 2021 stellte dasselbe Ingenieur-Team bereits einen geflügelten Mikrochip vor. Dieser gilt bis dato als kleinste fliegende Struktur, die je von Menschenhand geschaffen wurde.

„Unsere Miniatur ermöglicht verschiedene Arten der kontrollierten Bewegung. Sie kann sich mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von der Hälfte ihrer Körperlänge pro Sekunde fortbewegen. Das ist für terrestrische Roboter in so kleinem Maßstab eine große Herausforderung“, so Yonggang Huang, der Leiter der theoretischen Arbeiten.

Der Roboter ist kleiner als ein Floh. Aus diesem Grund muss er ohne komplexe Hardware, Hydraulik oder elektrische Systeme auskommen. Seine Innovation liegt daher vor allem in der elastischen Nachgiebigkeit seines Körpers. Denn beim Bau des Roboters kam eine Formgedächtnislegierung zum Einsatz, die bei Erwärmung ein „Anfangsgedächtnis“ für ihre Form entwickelt. Erhitzen die Forscher den Roboter also kurzfristig mit einem Laserstrahl an verschiedenen Stellen seiner Struktur, bringt eine dünne Glasschicht den entsprechenden Teil nach dem Abkühlen wieder in seine ursprüngliche Form zurück: Ändert sich die Form, bewegt sich der Roboter.

Hautnahe Forschung am Caltech

Roboter werden zukünftig auch mit einer künstlichen Haut versehen, die vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena entwickelt wurde. Denn mithilfe dieser Haut werden Roboter dazu in der Lage sein, Temperatur und Druck zu messen oder giftige Chemikalien mit einer einfachen Berührung zu erkennen.

Die neue künstliche Haut ist Teil einer Plattform, die sich mit einem Roboterarm und Sensoren verbindet, die sich wiederum mit der menschlichen Haut vereinen. Ein maschinelles Lernsystem, das mit beidem interagiert, ermöglicht es dem menschlichen Benutzer, den Roboter mit seinen eigenen Bewegungen zu steuern und zur selben Zeit bereits Feedback über seine eigene Haut zu erhalten.

Die Plattform trägt den Namen M-Bot und soll den Nutzern eine präzisere Kontrolle über die Roboter erlauben. Darüber hinaus hat sie die Aufgabe, den Menschen vor möglichen Risiken wie dem Kontakt mit giftigen Substanzen zu schützen.

„In den Bereichen Landwirtschaft, Fertigung und Sicherheit spielen moderne Roboter eine immer wichtigere Rolle. Wir arbeiten daran, ihnen einen Tastsinn oder einen Temperatursinn zu geben. Dabei stehen wir vor der Herausforderung, sie dazu zu bringen, mit infektiösen Chemikalien, Bakterien oder Viren in Kontakt zu kommen, bevor wir Menschen das direkt tun,“ das erklärt Wie Gao, Assistenzprofessor für Medizintechnik am Caltech.

Bei der am Caltech entwickelten, druckbaren künstlichen Haut handelt es sich um ein Hydrogel, das die Fingerspitzen des Roboters unseren eigenen sehr viel ähnlicher macht. Eingebettet in das Hydrogel sind Sensoren, die der künstlichen Haut die Fähigkeit verleihen, die Welt um sie herum zu „spüren“. Den Forschern zufolge werden diese Sensoren auf die künstliche Haut aufgedruckt – ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker Inhalte auf ein Blatt Papier überträgt.

Generell können die Sensoren leicht gedruckt werden, sodass sich neue, anwendungsspezifische Typen entwerfen und testen lassen – chemische oder biologische. Daher hofft Medizintechniker Gao, dass die Lösung in verschiedenen Bereichen Anwendung finden wird, von der Landwirtschaft über die Sicherheit bis hin zum Umweltschutz. Schließlich könnten die Roboterbediener so zum Beispiel „erspüren“, wie viel Pestizid auf die Nutzpflanzen ausgebracht wird oder ob ein verdächtiger Rucksack, der an einem Flughafen abgegeben wurde, Spuren von Sprengstoff enthält.

Ein Artikel, der die Forschung näher beschreibt, wurde kürzlich in Science Robotics veröffentlicht.

Ein KI-Roboter, der gegen jedes Kraut gewachsen ist

Bereits jetzt unterstützt ein KI-Roboter die Landwirtschaft dabei, Unkraut mit hoher Präzision zu erkennen und zu beseitigen. Dafür ist die künstliche Intelligenz mit Sensoren und Kameras ausgestattet. Entwickelt wurde der Roboter mit dem Namen „Titan“, der darauf trainiert ist, Unkraut zu erkennen und zu schneiden – ohne die eigentlichen Nutzpflanzen zu verletzen – vom Agrartechnologie-Unternehmen FarmWise in Kalifornien. Ziel ist es, mithilfe der Technologie landwirtschaftliche Prozesse zu erleichtern und den Einsatz von Pestiziden und Herbiziden zu minimieren.

Der Titan-Roboter fährt durch landwirtschaftliche Felder, nimmt Boden-Fotos auf und erstellt in Echtzeit ein 3D-Modell, so FarmWise-Gründer Sébastien Boyer. Das KI-System von Titan wurde mithilfe einer Datenbank trainiert, die mehr als 450 Millionen Pflanzenbilder beinhaltet. FarmWise bietet seine Dienste in den US-Bundesstaaten Kalifornien und Arizona an. Denn die Unkrautbekämpfung von Titan kann dort als Dienstleistung in Anspruch genommen werden: Die Landwirte zahlen pro Hektar, den der Roboter abfährt. Derzeit verfügt das Unternehmen über eine Flotte von zwölf Robotern.