Reinigungsroboter im Miniaturformat

Die winzigen Roboter – etwa 50-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares – eröffnen faszinierende Möglichkeiten: Sie erlauben die kontrollierte Manipulation von Objekten, die für menschliche Hände viel zu klein sind. Damit rückt ein lang gehegter Traum in greifbare Nähe – die direkte Interaktion mit der mikroskopischen Welt.

Besonders relevant sind biologische Objekte in wässrigen Umgebungen, etwa einzelne Zellen oder Bakterien. Diese gezielt und kontrolliert zu handhaben, galt bislang als große Herausforderung. Die hier vorgestellten Nanoroboter zeigen, dass eine solche Manipulation – einschließlich des Einsammelns und gezielten Verlagerns von Bakterien – bereits heute möglich ist.

Antrieb und Steuerung durch Licht

Eine zentrale Herausforderung besteht darin, solch extrem kleine Maschinen anzutreiben und zu steuern. An der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) hat die Arbeitsgruppe um Professor Bert Hecht hierfür bereits Pionierarbeit geleistet: Die Forschenden nutzen den Rückstoß einzelner Photonen, um mikrometergroße Geräte – sogenannte Mikrodrohnen – zu bewegen.

Diese enthalten bis zu vier plasmonische Nanoantennen, die Licht bestimmter Farbe und Helizität absorbieren und gerichtet wieder abstrahlen. Jedes umgelenkte Photon erzeugt dabei eine Rückstoßkraft – vergleichbar mit dem Rückstoß beim Abfeuern einer Kugel. Aufgrund der extrem geringen Masse der Mikrodrohnen führt dies zu erheblichen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten.

In der aktuellen Arbeit ist es dem Team gelungen, diese lichtgetriebenen Roboter weiter zu miniaturisieren – auf Größen unterhalb eines Mikrometers. Entscheidend war dabei eine Vereinfachung des Steuermechanismus, ohne den photonischen Antrieb zu beeinträchtigen.

Die Forschenden nutzen die Eigenschaften nanoskaliger Lichtantennen im Roboter, sich entlang der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts auszurichten. Durch gezielte Veränderung der Lichtpolarisation lässt sich somit die Orientierung des Nanoroboters kontrollieren, während der Vortrieb weiterhin durch Photonrückstoß erfolgt – ein Prinzip, das an die Steuerung makroskopischer Fahrzeuge erinnert.

„Mikroskopische Reinigungsroboter“ im Einsatz

„Im Grunde haben wir einen lichtgetriebenen Nanoroboter gebaut, der Bakterien aufspüren und einsammeln kann“, sagt Jin Qin, leitender Experimentalwissenschaftler der Studie. „Durch die vereinfachte Bauweise haben wir eine Größe erreicht, bei der diese Roboter direkt in der mikrobiellen Welt agieren können – fast wie mikroskopische Saugroboter.“

Bemerkenswert ist die hohe Wendigkeit der Nanoroboter: Sie können extrem schnelle 90°-Drehungen ausführen und dadurch große Probenbereiche systematisch und zügig absuchen. Zudem sind sie in der Lage, eine große Menge von Bakterien gezielt einzufangen, zu transportieren und wieder freizusetzen.

So können sie mikroskopische Umgebungen unter kontrollierten Laborbedingungen effektiv „reinigen“, indem sie Bakterien aufnehmen und an definierten Orten ablegen.

„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 größerer Bakteriencluster bleiben die Nanoroboter vollständig manövrierfähig – wenn auch mit deutlich verringerter Geschwindigkeit. Diese Robustheit unterstreicht ihr Potenzial für zukünftige Anwendungen in der Mikrobiologie, der biomedizinischen Forschung und der gezielten Manipulation auf mikroskopischer Ebene.

Publikation

Qin, J., Büchner, C., Wu, X., Hecht,B. “A nanoscale robotic cleaner”. Nat Commun 17, 3027 (2026). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-70685-9

Kontakt

Prof. Dr. Bert Hecht, Lehrstuhlinhaber  Experimentelle Physik V, Tel: +49 931 31-85863, E-Mail: bert.hecht@uni-wuerzburg.de