Die Integration eines mechanischen Gedächtnisses in Form von Federn hat sich seit Hunderten von Jahren als Schlüsseltechnologie für mechanische Geräte (z. B. Uhren) erwiesen und ermöglicht durch komplexe autonome Bewegungen erweiterte Funktionalität. Derzeit hat die Integration von Federn in die siliziumbasierte Mikrotechnologie die Welt planarer, massenproduzierbarer mechatronischer Geräte eröffnet, von denen wir alle profitieren, beispielsweise über Airbag-Sensoren.
Für eine neue Generation minimal- und sogar nicht-invasiver biomedizinischer Anwendungen müssen jedoch mobile Geräte, die sicher mechanisch mit Zellen interagieren können, in viel kleineren Maßstäben (10 Mikrometer) und mit viel sanfteren Kräften (Pico-Newton-Skala, d. h. weniger Gewichte heben) realisiert werden als ein Millionstel mg) und in maßgeschneiderten dreidimensionalen Formen.
Forscher der TU Chemnitz, des Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Leibniz IFW Dresden, in a aktuelle Veröffentlichung In Natur-Nanotechnologiehaben gezeigt, dass steuerbare Federn an beliebig ausgewählten Stellen in weiche dreidimensionale Strukturen integriert werden können, indem die konfokale fotolithografische Herstellung (mit nanoskaliger Präzision) eines neuartigen magnetisch aktiven Materials in Form eines Fotolacks erfolgt, der mit anpassbaren Dichten magnetischer Nanopartikel imprägniert ist.
Diese „Pikofedern“ haben eine bemerkenswert große und einstellbare Nachgiebigkeit und können durch Magnetfelder ferngesteuert werden (sogar tief im menschlichen Körper), was Gelenkbewegungen in Mikrorobotern sowie Mikromanipulationen ermöglicht, die weit über den Stand der Technik hinausgehen.
Darüber hinaus kann die Ausdehnung der Picofedern auch visuell genutzt werden, um Kräfte, zum Beispiel Vortriebs- oder Greifkräfte, im Zusammenspiel mit anderen Objekten wie Zellen zu messen. Beispielsweise wurden diese Picofedern verwendet, um die motorische Antriebskraft von Spermien zu messen.
Die Veröffentlichung demonstriert diese Fähigkeiten, indem sie mehrere Mikrobots (einschließlich eines Mikropinguins) demonstriert, die an mehreren Stellen Picofedern enthalten und diese Aufgaben auf zellulärer Ebene ausführen können: sich selbst vorantreiben, Zellen greifen und freigeben und die winzigen Kräfte messen, die erforderlich sind, um dies sicher zu tun.
Dr. Haifeng Yu, Erstautor der Studie und Gruppenleiter an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shenzhen (China), sagt: „Programmierbare Elastizität im Mikrometermaßstab bietet eine praktikable Strategie für die Herstellung von 3D-Geräten und fein strukturierten ‚Mikrochirurgen‘.“ fähig, komplexe medizinische Aufgaben zu erfüllen.“
Dr. Mariana Medina-Sanchez, Gruppenleiterin am Leibniz IFW und BCUBE-TU Dresden, Co-Autorin und Co-Betreuerin dieser Arbeit, fügt hinzu: „Diese auf Pikofedern basierenden Mikromaschinen mit programmierbarer Elastizität und Magnetismus, hergestellt durch monolithische Fertigung, öffnen sich.“ zahlreiche Möglichkeiten für die lokale Kraftmessung und -betätigung in Umgebungen mit niedriger Reynoldszahl. Diese Vielseitigkeit unterstreicht ihre Bedeutung für ein Spektrum biomedizinischer Anwendungen.“
Prof. Oliver Schmidt, der letzte Autor der Arbeit und der Betreuer dieser Arbeit, sieht darin einen weiteren wichtigen Schritt auf dem Weg zur lebenstauglichen weichen und intelligenten modularen Mikrorobotik. „Ferngesteuerte Mikrogeräte, die Magnetfelder nutzen, stellen eine besonders vielversprechende Technologie für nicht-invasive medizinische Anwendungen dar – und das erstreckt sich nun auch auf mechanische Mechanismen innerhalb dieser ferngesteuerten Mikrogeräte“, sagt Schmidt.
„Die Möglichkeit, Designerfedern zu integrieren, wird auch die wachsenden Fähigkeiten der TU Chemnitz in Richtung mikroelektronischer Morphogenese und künstlichem Leben um ein neues Werkzeug erweitern“, fügt Prof. John McCaskill, Mitautor der Studie, Mitglied des Forschungszentrums MAIN und Gründer, hinzu Direktor des European Centre for Living Technology.
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Haifeng Natur-Nanotechnologie (2024). DOI: 10.1038/s41565-023-01567-0