Reinigungsroboter im Miniaturformat

Forschende der Universität Würzburg haben lichtgetriebene Nanoroboter entwickelt, die Bakterien mit höchster Präzision aufnehmen, transportieren und wieder freisetzen können. Diese winzigen „Reinigungsroboter“, die etwa 50-mal kleiner als ein menschliches Haar sind, ermöglichen es erstmals, mikroskopische Objekte in wässrigen Umgebungen systematisch zu manipulieren und zu entfernen. Während die gezielte Handhabung einzelner Zellen oder Bakterien bislang als große Herausforderung galt, beweist dieses System, dass die direkte Interaktion mit der Mikrowelt und das kontrollierte Verlagern biologischer Objekte bereits heute technisch umsetzbar sind.

Antrieb und Steuerung durch Licht

Die präzise Steuerung und der Antrieb extrem kleiner Maschinen stellen eine zentrale Herausforderung in der Nanotechnologie dar. Die Arbeitsgruppe um Professor Bert Hecht an der Universität Würzburg leistet hier Pionierarbeit, indem sie den Rückstoß einzelner Photonen nutzt, um sogenannte Mikrodrohnen zu bewegen. Diese mikrometergroßen Geräte sind mit bis zu vier plasmonischen Nanoantennen ausgestattet, die Licht spezifischer Farbe und Helizität absorbieren und gerichtet wieder abstrahlen. Da jedes umgelenkte Photon eine Rückstoßkraft erzeugt – ähnlich dem Effekt beim Abfeuern einer Kugel –, erfahren die Drohnen aufgrund ihrer geringen Masse enorme Beschleunigungen.

In ihrer aktuellen Forschungsarbeit konnte das Team diese lichtgetriebenen Roboter auf Größen unter einem Mikrometer weiter miniaturisieren. Der entscheidende Fortschritt lag in einer Vereinfachung des Steuermechanismus, die den photonischen Antrieb unberührt lässt. Die Forschenden machen sich dabei zunutze, dass sich die nanoskaligen Lichtantennen im Roboter entlang der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts ausrichten. Durch die gezielte Veränderung dieser Polarisation lässt sich die Orientierung des Nanoroboters kontrollieren, während der Vortrieb weiterhin über den Photonenrückstoß erfolgt. Dieses Prinzip erinnert in seiner Funktionsweise an die Steuerung makroskopischer Fahrzeuge.

„Mikroskopische Reinigungsroboter“ im Einsatz

„Im Grunde haben wir einen lichtgetriebenen Nanoroboter gebaut, der Bakterien aufspüren und einsammeln kann“, sagt Jin Qin. „Durch die vereinfachte Bauweise haben wir eine Größe erreicht, bei der diese Roboter direkt in der mikrobiellen Welt agieren können – fast wie mikroskopische Saugroboter.“ Die hohe Wendigkeit der Nanoroboter ermöglicht extrem schnelle 90°-Drehungen, wodurch sie Probenbereiche systematisch absuchen sowie Bakterien gezielt einfangen, transportieren und wieder freisetzen können. Unter Laborbedingungen lassen sich mikroskopische Umgebungen so effektiv reinigen. „Das ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie Licht nicht nur zur Beobachtung der mikroskopischen Welt genutzt werden kann, sondern auch zu ihrer aktiven Gestaltung“, ergänzt Bert Hecht. „Die Idee winziger Saugroboter mag futuristisch klingen, doch wir demonstrieren bereits heute die physikalischen Grundlagen dafür.“ Selbst beim Transport schwerer Lasten bleibt das System manövrierfähig, was dessen Potenzial für die biomedizinische Forschung und die gezielte mikroskopische Manipulation unterstreicht.

Quelle

Julius-Maximilians-Universität Würzburg (04/2026)