Die Smartlet-Mikroroboter, jeweils zirka 1mm groß, sind mit integrierter Elektronik, Sensoren, Aktoren und Energiesystemen ausgestattet. Sie sind in der Lage, optische Signale zu empfangen und zu senden, auf Reize mit Bewegungen zu reagieren und Informationen mit anderen Mikrorobotern in ihrer Umgebung auszutauschen.

Wie funktioniert das?

Im Gegensatz zu früheren Generationen von Mikrorobotern, die auf größere drahtlose Steuerungssysteme angewiesen waren, um die eingeschränkte Funktionalität "an Bord" auszugleichen, werden Smartlet-Mikroroboter durch integrierte Photovoltaikzellen mit Strom versorgt, von winzigen Mikrochips gesteuert und sind durch eingebettete Mikro-LEDs und Fotodioden zur optischen Kommunikation fähig.

Die in sich geschlossene Mikrorobotereinheit reagiert auf Reize, bewegt sich fort und interagiert mit anderen Mikrorobotern auf programmierbare und autonome Weise.

Wie werden sie hergestellt?

Die Mikroroboter werden nach einem flexiblen Origami-inspirierten Ansatz hergestellt, der auf multi-funktionalen, mehrschichtig strukturierten Materialien basiert. Durch diesen Ansatz kann sich das zunächst flache, in der Ebene auf einer Waver-Oberfläche hergestellte elektronische System von selbst zu einem winzigen hohlen 3D-Würfel zusammenfalten, der sowohl über interne als auch externe Funktionen verfügt.

Durch das Origami-Falten entsteht zusätzlicher Platz, der benötigt wird, damit jeder Würfel neben den interagierenden Außenflächen und der eigenen Fortbewegung auch einen eigenen Solarenergie-Harvester, eine Rechenlogik und ein optisches Signalsystem mitführen kann.

Und was machen die Smartlets?

Im Wasser können sich die Smartlets durch Auftriebskräfte, die von Blasen erzeugenden Motoren erzeugt werden, die das hohle Innere des Smartlets mit Gas füllen, auf und ab bewegen. Sie können auch optische Signale aussenden, um Anweisungen an andere Smartlets in der Nähe zu übertragen.

Smartlets ermöglichen Multi-Roboter-Interaktionen im Wasser, einschließlich stimulierter Bewegung, Synchronisation und Koordination zwischen mehreren Smartlets. Wenn ein Smartlet ein Lichtsignal empfängt, kann es die Informationen mit seinem integrierten Prozessor decodieren und so eine koordinierte Bewegung oder ein koordiniertes Verhalten bei anderen auslösen.

Eine der Innovationen besteht darin, dass die Smartlets eine „drahtlose Kommunikationsschleife“ verwenden, für die keine externen Kameras, Magnete oder Antennen erforderlich sind.

Optische Nachrichten werden lokal auf jedem Mikroroboter mithilfe einer speziell programmierten Logik interpretiert, die auf ihren Mikrochips gespeichert ist. Die Smartlets nutzen eine innovative Soft-Bonding-Technik, um maßgeschneiderte mikroskopisch kleine Silizium-Chiplets, sogenannte Lablets, zu integrieren.

Welche Anwendungsmöglichkeiten sind denkbar?

• Da sie kabellos, biokompatibel und in der Lage sind, auf Umwelteinflüsse zu reagieren, könnten Smartlets bei Aufgaben wie der Überwachung der Wasserqualität, der Durchführung minimalinvasiver medizinischer Diagnosen oder der Untersuchung begrenzter biologischer Umgebungen helfen.
• Ihre Fähigkeit, interaktive, auf Reize reagierende Kolonien zu bilden, könnte auch in der Soft-Robotik, in autonomen Inspektionssystemen oder in verteilten Sensornetzwerken genutzt werden.
• Mit Blick in die Zukunft stellt sich das Forschungsteam vor, dass sich die Smartlets schrittweise zu dynamischen Systemen entwickeln, die Kolonien digitaler Organismen ähneln. Ähnlich wie Zooide in kolonialen Organismen wie Siphonophoren könnte jedes Smartlet eine spezialisierte Funktion übernehmen – Wahrnehmung, Kommunikation, Bewegung – und zusammen ein kollektives robotisches Organismus-System bilden.