Innovation in der Medizin – Winzige Drohnen fliegen dank Ultraschall durch den Körper

Keine Motoren, keine Batterien, keine Elektronik an Bord, nur kleine Hohlräume, die Schallwellen in Schub umwandeln: Das ist die überraschende Antriebstechnologie für Drohnen, die am Labor für Micro-Biorobotic-Systeme (Microbs) der ETH Lausanne (EPFL) entwickelt wurde. In der Zeitschrift «Science Advances» ist sie kürzlich vorgestellt worden.

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• Bild 1 von 3. So sieht die Mikro-Drohne der ETH Lausanne aus. Bildquelle: EPFL/MICROBS.

  

• Bild 2 von 3. Der Forscher Selman Sakar leitet das Team, das die Mikro-Drohne entwickelt hat. Bildquelle: RTS.

• Bild 3 von 3. So klein sind die Drohnen verglichen mit einer Fünf-Rappen-Münze. Bildquelle: EPFL/MICROBS.

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Das Prinzip ist einfach: Die Bewegung wird durch Töne erzeugt. «Durch die Wahl der Frequenz können wir die Bewegungen eines Mikroobjekts steuern», erläutert der Direktor des Labors, Selman Sakar, gegenüber dem Radio und Fernsehen der italienischen Schweiz (RSI).

Die Anwendungen der akustischen Mikrorobotik sind vielfältig. Die vielversprechendste sieht Sakar im medizinischen Bereich: «Man könnte eine winzige Struktur bauen, etwa einen Medikamententräger zum Schlucken oder Injizieren in den Körper, und sie dann mit Schallwellen steuern.»

Die Drohne in der Lunge

Bisher wurde der Einsatz von schallgesteuerten Mikrorobotern vor allem in flüssigen Umgebungen wie in Blutgefässen untersucht. Die Roboter der EPFL funktionieren in der Luft und eröffnen interessante Forschungsperspektiven, beispielsweise in der Lunge. Obwohl der Einsatz bei Patienten noch in weiter Ferne liegt, gibt es bereits Kooperationen mit den Universitätsspitälern Genf und Lausanne.

Um die Drohnen mittels Schall zu bewegen, haben die Forschenden die sogenannte Helmholtz-Resonanz genutzt. Hinter dieser Bezeichnung verbirgt sich das allen bekannte Phänomen, das erstmals vom deutschen Wissenschaftler Hermann von Helmholtz untersucht wurde: Wenn man sanft durch den Hals einer leeren Flasche bläst, wird nicht nur ein Ton erzeugt, sondern die in der Flasche eingeschlossene Luft wird zum Schwingen gebracht.

So funktionieren die Mikrodrohnen der ETH Lausanne:

Das Team von Selman Sakar hat dieses Prinzip nachgebildet – mittels sogenannter Resonatoren. Sie sehen aus wie kleine Ampullen. «Ihre Form entscheidet, bei welchem Ton die Luft im Inneren zu vibrieren beginnt», erläutert der Experte. «Wenn das geschieht, wird die Luft aus dem Hals gedrückt und die Struktur bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung, ein wenig wie bei einer Rakete.»

Ultraschall als Energiequelle

Um das Prinzip zu demonstrieren, hat Sakars Team zwei Arten von Mikrofluggeräten gebaut. Das erste vereint drei Resonatoren auf einer ultraleichten Struktur und wiegt etwa 150 Mikrogramm, also 0.15 Milligramm. Die nach unten gerichteten Öffnungen erzeugen die Strahlen, die es anheben. Das zweite wiegt 184 Mikrogramm und nutzt die Resonatoren, um einen Rotor mit kleinen Flügeln in Drehung zu versetzen, der 13'000 Umdrehungen pro Minute erreichen kann.

Die Energie liefert ein externes Gerät, das Ultraschall von 40'000 Hertz erzeugt, jenseits der menschlichen Hörschwelle. Der Roboter ist somit befreit von Komponenten, die schwer zu miniaturisieren sind, angefangen bei der Batterie. Die Energieversorgung bleibt jedoch unverzichtbar: Sie wird vom System, das das akustische Feld erzeugt, auf das Fluggerät übertragen.

Die Forschenden haben das Abheben und Schweben in der Luft unter Laborbedingungen beobachtet. Aber damit diese Objekte entlang komplexer Routen gesteuert werden können, braucht es weitere Entwicklungen. Das bisher getestete System funktioniert mit einer einzigen Frequenz und bietet noch begrenzte Manövriermöglichkeiten.