Winzige, lichtgetriebene Nanoroboter, die Bakterien gezielt einfangen, transportieren und beseitigen? Ein Würzburger Forschungsteam zeigt, wie mikroskopisch kleine Reinigungskräfte eingesetzt und präzise gesteuert werden können.
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.“