Selbstmontierende Mikromaschinen

Eine Maschine mit vielen verschiedenen Komponenten zu bauen, ist anspruchsvoll – zumal dann, wenn diese nur wenige Mikrometer messen. Da ist es praktisch, wenn sich die Teile selbst zusammensetzen. 

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"Mikro‐Nano‐Integration kann einerseits als Fortführung der Mikrosystemtechnik hin zu kleineren Strukturen mit Abmessungen im Nanometer‐Bereich angesehen werden", definiert Springer-Autor Stephanus Büttgenbach im Kapitel "Mikro-Nano-Integration" ("Mikrosystemtechnik", Seite 118). Dies sei der sogenannte Top‐Down‐Ansatz: Nanostrukturen werden mit Verfahren der Mikrosystemtechnik einem Material aufgeprägt. Eine zweite Herangehensweise sei der sogenannte Bottom‐Up‐Ansatz: Nanoobjekte werden in Mikrosysteme integriert. „Dabei werden die Verfahren der Selbstorganisation oder Selbstmontage angewendet. Selbstmontage ist eine Methode, Nanobausteine wie zum Beispiel Nanoröhren in eine Mikrostruktur gezielt einzubringen." Relativ neu seien Möglichkeiten der Nutzung der Selbstmontage bzw. Selbstanordnung von Bauelementen und Mikroteilen auf Leiterplatten, führt Springer-Autor Andreas Risse im Kapitel "Bestückungstechnologie" ("Fertigungsverfahren der Mechatronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik", Seite 459) an. "Dazu können Kapillarkräfte, magnetische Kräfte oder Oberflächenspannungen genutzt werden."

Die Selbstkonfigurierung von Komponenten sogenannter Mikromaschinen ist also nicht neu; die Springer-Autoren zeichnen in ihren Fachartikeln und Büchern den jeweiligen Stand der Technik nach. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart (MPI-IS) berichten jetzt in der Zeitschrift "nature" über eine neue Herangehensweise, mit der sich viele unterschiedlich geformte Maschinen zwischen 40 und 50 Mikrometern selbst konfigurieren lassen. Sie konnten zeigen, dass eine programmierbare Selbstmontage ihrer Mikromaschinen allein durch das Design und die Struktur der einzelnen Komponenten möglich ist, und zwar durch die Nutzung dielektrophoretischer Kräfte, die sich in einem inhomogenen elektrischen Feld um die einzelnen Teile herum bilden. 

"Wir nutzen die form- und materialspezifischen Kräfte in einem inhomogenen elektrischen Feld", erklärt Yunus Alapan, einer der Autoren. "Die Form des Maschinengerüsts oder -rahmens einerseits und der kleineren Komponenten andererseits beeinflussen die umliegenden Gradienten. Diese entwickeln eine Anziehungskraft zwischen den Einheiten. Mit dieser Kraft lassen sich dann Mikromaschinen zusammensetzen. Wenn wir die Form der Komponenten ändern, steuern wir, wie diese Gradienten erzeugt werden und damit, wie die Komponenten sich gegenseitig anziehen."

"Die Komponenten unserer Mikromaschinen sind übrigens nicht fest zusammengebaut", fügt Mitautor Beck Yigit hinzu. "Sie können sich relativ zueinander bewegen, was eine noch komplexere Fortbewegung ermöglicht. Stellen Sie sich vor, die Räder eines Autos drehen sich, aber das Fahrgestell bleibt unverändert: Das Auto in seiner Gesamtheit bewegt sich vorwärts und kann in viele Richtungen fahren. Anstatt starre Verbindungen herzustellen, kann sich jedes Teil einzeln bewegen."

Bauteile aus dem 3D-Drucker

Die Herstellung der einzelnen Komponenten gelang den Forschern mit der Zwei-Photonen-Lithographie, einem speziellen 3D-Druckverfahren. "Unser erstes Design war ein Mikroauto, eine Hommage an die Allgegenwärtigkeit des Radantriebs in unserem Leben", sagt Alapan. "Wir haben das 3D-Chassis mit seinen Radtaschen ausgewählt, da diese Struktur ideale Anziehungskräfte entwickelt, um die magnetischen Räder anzuziehen. Innerhalb weniger Sekunden, nachdem wir das elektrische Spannungsfeld angeschaltet haben, zog es die Räder in die Radtaschen!" Anschließend steuerten die Forscher das Mikrofahrzeug durch ein vertikal drehendes Magnetfeld, wie in einem Video zu sehen ist.

Die Stuttgarter Forscher sind sicher, dass ihre Methode der Selbstmontage von Mikromaschinen in vielen verschiedenen Formen und Größen, von großem Einfluss auf die weitere Entwicklung sein wird. Mikromaschinen, die vielfältig mobil sind, könnten etwa eines Tages gezielt in vitro Medikamente verabreichen oder einzelne Zellen manipulieren. Der Bau von praktisch einsetzbaren Maschinen in dieser Größenordnung sei allerdings eine große Herausforderung. "Unser neuer Ansatz könnte die Komplexität dieser Aufgaben reduzieren", sagt Metin Sitti, Direktor am MPI-IS.

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