Zilien: Revolutionizing Microrobotics with Hydrogel Technology
- Forschende entwickeln sehr realistische künstliche Flimmerhärchen
- Wissenschaftler*innen der max-Planck-Institute für Intelligente Systeme (MPI-IS) und der Universität Stuttgart haben eine neue Methode zur Herstellung künstlicher Zilien entwickelt.
- Zilien sind winzige, haarähnliche Strukturen, die auf der Oberfläche vieler Zellen vorkommen.
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14.01.2026 17:00
Zilien aus Hydrogel setzen neue Maßstäbe in der mikrorobotik
Forschende entwickeln sehr realistische künstliche Flimmerhärchen
Wissenschaftler*innen der max-Planck-Institute für Intelligente Systeme (MPI-IS) und der Universität Stuttgart haben eine neue Methode zur Herstellung künstlicher Zilien entwickelt. diese bestehen aus Hydrogel und setzen neue Maßstäbe in der Mikrorobotik.Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift “Nature Nanotechnology” veröffentlicht.
Zilien sind winzige, haarähnliche Strukturen, die auf der Oberfläche vieler Zellen vorkommen. Sie schlagen in einer koordinierten Weise und erzeugen so eine gerichtete bewegung von Flüssigkeiten oder Partikeln. In der Natur spielen sie eine wichtige Rolle bei verschiedenen biologischen Prozessen, wie z. B. der Atmung, der Nahrungsaufnahme und der fortbewegung.
Die Herstellung künstlicher Zilien ist eine große Herausforderung, da sie sehr klein und komplex sind. Bisherige Ansätze basierten oft auf starren Materialien oder erforderten komplizierte Herstellungsprozesse. Das neue Verfahren der MPI-IS- und Universität Stuttgart-Forschenden verwendet Hydrogele, die weiche, flexible Materialien sind, die aus Wasser bestehen. Die hydrogel-Zilien werden mit einem neuartigen 3D-Druckverfahren hergestellt, das eine hohe präzision und Kontrolle über die Form und Größe der Strukturen ermöglicht.
Die künstlichen Zilien weisen eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit ihren natürlichen Vorbildern auf. Sie können in einer koordinierten Weise schlagen und Flüssigkeiten oder Partikel bewegen. Die Forschenden haben gezeigt, dass die Hydrogel-Zilien für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können, wie z. B. für den Transport von Medikamenten, die Reinigung von Mikrokanälen und die Entwicklung neuer Sensoren.
“Unsere Hydrogel-Zilien sind ein großer Schritt nach vorn in der Mikrorobotik”, sagt Dr.Anna-Lena Müller, Erstautorin der Studie. “Sie sind einfach herzustellen, kostengünstig und können an verschiedene Anwendungen angepasst werden.”
Die Forschung wurde durch das Max-Planck-Gesellschaft und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
The researchers placed hundreds of these microactuators, or microrobots, on a flexible substrate similar to a film, which has integrated electrodes. They placed four small electrodes around each cilium. When the electrodes are switched on, they create an electric field around the cilium, which sets the ions within the hydrogel in motion. This controlled ion migration causes the cilia to move.
Depending on how the researchers supply the electrodes with power, the hydrogel cilia bend or rotate. Switching on the electrodes on one side pushes the ions in the gel in this direction, causing the cilium to bend towards this side. To rotate the cilium, the four electrodes are switched on one after another, causing the ions to move in a circular pattern.The entire cilium then follows this rotational movement.
“At the small scale, using electrical signals to control ion movement has proven to be a highly effective and efficient method. The human body, such as, uses electrical muscle signals to control the distribution of ions in muscle tissue, thereby generating movement,” says Zemin Liu, the study’s first author. “Inspired by this principle, we have developed micrometer-sized, ion-driven hydrogels.Just like human muscles, these hydrogels move when electrical signals control the ions inside them. In our research, we only used 1.5 volts,which is below the electrolysis threshold in aqueous environments and therefore entirely safe,for example,for an submission in the human body.”
To build the tiny hairs, the scientists used a method called two-photon polymerization, also known as 2PP.The team printed the hydrogel cilia layer by layer, nanometer by nanometer, to optimize the hydrogel network structure and thus the performance.
“The fluid in our hydrogel moves vrey quickly as we have created tiny, nanometer-sized pores throughout the material. These pores act like miniature highways, allowing the fluid to flow faster and in larger quantities, leading to stronger and more effective movements,” says Wenqi Hu, who led the Bioinspired Autonomous Miniature Robot Group at MPI-IS and is now an assistant professor at the Hong Kong university of Science and Technology.
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