Reinigungsroboter im Miniaturformat

Winzige, lichtgetriebene Nanoroboter können Bakterien mit hoher Präzision aufnehmen, transportieren und wieder freisetzen. Ein Forschungsteam an der Universität Würzburg hat nun gezeigt, wie sich solche mikroskopischen „Reinigungsroboter“ gezielt steuern lassen, um Bakterien unter dem Mikroskop systematisch zu manipulieren und zu entfernen.

Die winzigen Roboter – etwa 50mal 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, berichtet die Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Besonders relevant sind der Forschungseinrichtung zufolge biologische Objekte in wässrigen Umgebungen, etwa einzelne Zellen oder Bakterien. Diese gezielt und kontrolliert zu handhaben, galt bislang als große Herausforderung. Die vorgestellten Nanoroboter zeigten, 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 laut JMU darin, solch extrem kleine Maschinen anzutreiben und zu steuern. Die Arbeitsgruppe um Prof. Bert Hecht habe 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, erläutern die Experten.

„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 sei 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 Hecht. „Die Idee winziger Saugroboter mag futuristisch klingen, doch wir demonstrieren bereits heute die physikalischen Grundlagen dafür.“

Selbst beim Transport größerer Bakteriencluster blieben die Nanoroboter vollständig manövrierfähig – wenn auch mit deutlich verringerter Geschwindigkeit. Diese Robustheit unterstreicht den Forschenden zufolge ihr Potenzial für zukünftige Anwendungen in der Mikrobiologie, der biomedizinischen Forschung und der gezielten Manipulation auf mikroskopischer Ebene.

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Originalpublikation:
Qin J et al. A nanoscale robotic cleaner. Nat Commun 2026;17(1):3027.