Ingenieure des MIT haben gemeinsam mit Forschern der EPFL und der Universität Cincinnati ein neues weiches, magnetisches Hydrogel entwickelt, das die Herstellung mikroskopischer Roboter ermöglicht. Diese sogenannten „Magno-Bots" sind in der Lage, komplexe Bewegungen und Manöver auszuführen, indem sie auf externe Magnetfelder reagieren. Die Studie wurde im Fachjournal „Matter" veröffentlicht und beschreibt eine innovative Methode zur Fertigung von drei dimensionalen Strukturen mit mikrometergenauer Präzision. Im Versuchsaufbau präsentierte das Team Strukturen, die winzigen Lollipops ähneln und weniger als einen Millimeter hoch sind. Die „Kugeln" dieser Gebilde sind kleiner als ein Sandkorn und enthalten magnetische Partikel. Unter dem Mikroskop bewegt sich eine Ansammlung dieser passiven Objekte scheinbar in einer Flüssigkeit, doch sobald ein Magnet über die Schale geführt wird, verhaken sich die Strukturen sofort wie die Kiefer einer Venusfliegenfalle zu einem aktiven Greifsystem. Bisherige Ansätze zur Steuerung von Mikrobotern basierten oft auf der Beimischung magnetischer Partikel in druckbare Harze. Dies stellte jedoch ein erhebliches technisches Hindernis dar, da die metallischen Partikel das Licht streuen oder verklumpen, was den 3D-Druckprozess stört oder die strukturelle Integrität schwächt. Das neue Verfahren des MIT-Teams umgeht dieses Problem durch einen innovativen „Doppelt-Abtauch-Prozess". Zuerst wird die gewünschte Mikrostruktur aus einem herkömmlichen Polymergel mit Hilfe der Zwei-Photonen-Lithographie erstellt. Anschließend wird das Objekt nacheinander in Lösungen aus Eisenionen und Hydroxidionen getaucht. Durch die chemische Reaktion im Inneren des Gels entstehen Magnetpartikel, die zuvor nicht vorhanden waren. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist die Fähigkeit, die Magnetisierung einzelner Strukturmerkmale präzise zu steuern. Durch die Einstellung der Laserleistung während des Druckprozesses kann die Vernetzungsdichte des Gels variiert werden. Dichter vernetzte Bereiche bilden weniger magnetische Partikel, während lockerere Bereiche stärker magnetisch werden. Dies eröffnet völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten für multifunktionale Materialien im Mikrobereich. Die Forscher demonstrierten die Anwendungen durch das Erstellen von Greifern, die als Miniaturroboter dienen könnten, um beispielsweise Biopsien im Körper zu entnehmen, wenn sie durch externe Magnete gelenkt werden. Zusätzlich entwickelten sie einen magnetisch ansteuerbaren bistabilen Schalter. Dieses Bauteil besteht aus einem kleinen Rechteck, an dessen Seiten oarähnliche magnetische Strukturen angebracht sind. Durch Anlegen eines Magneten an einer der beiden Enden klappen die Ruder um und schalten das Bauteil in eine der beiden Positionen, wo es verriegelt. Solche Mechanismen könnten zukünftig als magnetische Ventile in mikrofluidischen Geräten eingesetzt werden. Carlos Portela, einer der Leitungsautoren der Studie, betont, dass diese Technologie eine entscheidende Fähigkeit für die weiche Mikrorobotik darstellt. Durch die Möglichkeit, komplexe 3D-Architekturen zu erschaffen, deren Komponenten sich auf verschiedene Weise bewegen und verformen können, eröffnen sich neue Perspektiven für stimuli-responsive Materialien. Da die Reaktion auf Magnetfelder instantan und kontaktlos erfolgt, stellt dies eine signifikante Weiterentwicklung gegenüber langsamen chemischen Reaktionen oder physikalischen Prozessen dar. Das Team hofft, dass diese Erkenntnisse andere Forscher inspirieren, weitere Anwendungen für weiche, miniaturisierte Roboter zu entwickeln.