Forscher haben winzige, fahrzeugähnliche Strukturen geschaffen, die von mikroskopisch kleinen Algen manövriert werden können. Die Algen werden in Körben gefangen, die an den Mikromaschinen befestigt sind. Diese wurden sorgfältig konstruiert, um ihnen genügend Platz zum Weiterschwimmen zu lassen.
Es wurden zwei Fahrzeugtypen entwickelt: der „Rotator“, der sich wie ein Rad dreht, und der „Scooter“, der sich eigentlich vorwärts bewegen sollte, bei Tests aber überraschendere Bewegungen zeigte. Das Team plant, für seine nächsten Fahrzeuge andere und komplexere Designs auszuprobieren.
In Zukunft könnten diese Mini-Algenteams zur Unterstützung der Umwelttechnik und -forschung auf Mikroebene eingesetzt werden.
„Wir wurden dazu inspiriert, Chlamydomonas reinhardtii, eine sehr verbreitete, weltweit vorkommende Alge, nutzbar zu machen, nachdem wir von ihrer schnellen und uneingeschränkten Schwimmfähigkeit beeindruckt waren“, sagte Naoto Shimizu, ein Student der Graduate School of Information Science and Technology der Universität Tokio (zum Zeitpunkt der Studie), der das Projekt initiierte.
„Wir haben nun gezeigt, dass diese Algen gefangen werden können, ohne dass ihre Mobilität beeinträchtigt wird. Damit bieten wir eine neue Möglichkeit, Mikromaschinen anzutreiben, die für technische oder Forschungszwecke eingesetzt werden könnten.“
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal Klein.
Mikroskopischer Rotator: Ungehindert können die Algen mit über 100 Mikrometern pro Sekunde dahinflitzen. Mit vier Algen in den Fallen bewegte sich der Rotator mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 20–40 Mikrometern pro Sekunde. Bildnachweis: Klein (2024). DOI: 10.1002/smll.202402923
Die Mikromaschinen wurden mithilfe einer 3D-Drucktechnologie namens Zwei-Photonen-Stereolithografie hergestellt. Dieser Drucker verwendet Licht, um Mikrostrukturen aus Kunststoff zu erzeugen. Das Team arbeitete auf einer Skala von 1 Mikrometer, was 0,001 Millimeter entspricht. Laut den Forschern bestand die größte Herausforderung darin, das Design der korbförmigen Falle zu optimieren, damit sie die Algen effektiv einfangen und festhalten kann, wenn sie hineinschwimmen.
Die Fallen wurden an zwei verschiedenen Mikromaschinen befestigt. Die erste, Scooter genannt, hat zwei Fallen, in denen sich jeweils eine Alge befindet, und sieht ein bisschen aus wie ein Podracer aus Star Wars.
Der zweite, Rotator genannt, hat vier Fallen, die insgesamt vier Algen halten, und ähnelt einem Riesenrad. Die Größe und Form der Körbe ermöglichte es den beiden Flagellen (kleine peitschenartige Fortsätze) der Alge, sich weiterzubewegen und die Maschinen vorwärtszutreiben.
Mikroskopischer Roller: Statt einer einfachen Bewegung in eine Richtung, wie erwartet, zeigte der Roller dynamische Wendungen, Rotationen und eine beeindruckende Reihe von Rückwärtssaltos, auf die ein Extremsportler stolz wäre. Bildnachweis: Klein (2024). DOI: 10.1002/smll.202402923
„Wie wir gehofft hatten, zeigte der Rotator eine gleichmäßige Drehbewegung. Der Roller überraschte uns jedoch. Wir dachten, er würde sich in eine Richtung bewegen, da die Algen in dieselbe Richtung zeigen. Stattdessen beobachteten wir eine Reihe unregelmäßiger Roll- und Kippbewegungen“, erklärte der Hauptautor und wissenschaftliche Mitarbeiter des Projekts, Haruka Oda, ebenfalls von der Graduate School of Information Science and Technology (IST).
„Dies hat uns dazu veranlasst, weiter zu untersuchen, wie die kollektive Bewegung mehrerer Algen die Bewegung der Mikromaschine beeinflusst.“
Der Hauptvorteil dieser Mikromaschinen gegenüber denen anderer Organismen besteht laut den Forschern darin, dass weder die Maschine noch die Algen chemisch modifiziert werden müssen. Auch die Algen benötigen keine externen Strukturen, um in die Falle zu gelangen. Dies ermöglicht der Mikromaschine eine größere Bewegungsfreiheit und vereinfacht den Prozess.
Wie lange diese Mikrowagen und ihre winzigen Rosse überleben und weiter funktionieren können, ist noch unklar. Einzelne Chlamydomonas reinhardtii können etwa zwei Tage überleben und sich vermehren, um vier neue Algen zu produzieren. Die Experimente dauerten mehrere Stunden, während denen die Mikromaschinen ihre Form beibehielten.
Als nächstes möchte das Team den Rotator verbessern, damit er schneller rotiert und neue, komplexere Maschinendesigns entwickeln. „Die hier entwickelten Methoden sind nicht nur nützlich, um die individuellen Bewegungen von Algen zu visualisieren, sondern auch, um ein Werkzeug zu entwickeln, mit dem ihre koordinierten Bewegungen unter eingeschränkten Bedingungen analysiert werden können“, sagte Professor Shoji Takeuchi vom IST, der das Projekt betreute.
„Diese Methoden haben das Potenzial, sich in Zukunft zu einer Technologie zu entwickeln, die für die Umweltüberwachung in aquatischen Umgebungen und für den Stofftransport durch Mikroorganismen, beispielsweise zur Bewegung von Schadstoffen oder Nährstoffen im Wasser, eingesetzt werden kann.“
Mehr Informationen:
Haruka Oda et al., Nutzung der Antriebskraft von Mikroalgen mit Microtrap zum Antrieb von Mikromaschinen, Klein (2024). DOI: 10.1002/smll.202402923