Wissenschaftler der Abteilung für Physikalische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart, der Hong Kong University of Science and Technology und der Koç-Universität in Istanbul haben künstliche Zilien aus Hydrogel entwickelt, die sie einzeln oder in Gruppen mithilfe eines elektrischen Feldes bewegen können. Ihre bahnbrechende Arbeit wird am 14. Januar 2026 in Nature unter dem Titel „3D-gedruckte, mit niedriger Spannung betriebene ziliäre Hydrogel-Mikroaktoren“ veröffentlicht.
Jeder Mikroaktor bzw. Mikroroboter ist nur 18 Mikrometer lang und hat einen Durchmesser von etwa 2 Mikrometern – fast so klein wie echte Zilien. Die Wissenschaftler platzierten Hunderte dieser Zilien auf einem flexiblen, folienartigen Substrat mit integrierten Elektroden. Um jede Zilie herum wurden vier kleine Elektroden angebracht. Beim Einschalten der Elektroden entsteht ein elektrisches Feld, das die Ionen im Hydrogel in Bewegung versetzt. Diese kontrollierte Ionenwanderung setzt die Zilien in Bewegung.
Je nachdem, wie die Wissenschaftler die Elektroden mit Strom versorgen, können sich die Hydrogel-Zilien biegen oder drehen. Durch das Einschalten der Elektroden auf einer Seite werden die Ionen in diese Richtung gedrückt, wodurch sich die Zilie zu dieser Seite hin biegt. Um die Zilie zu drehen, werden die vier Elektroden nacheinander eingeschaltet, wodurch sich die Ionen kreisförmig bewegen. Die Zilie folgt dieser Bewegung und rotiert gleichmäßig im dreidimensionalen Raum.
„Im kleinen Maßstab hat sich die Nutzung elektrischer Signale zur Steuerung der Ionenbewegung als hocheffektive und effiziente Methode erwiesen. Der menschliche Körper beispielsweise nutzt elektrische Muskelsignale, um die Ionenverteilung im Muskelgewebe zu regulieren und so Bewegung zu erzeugen“, erklärt Zemin Liu, Erstautor der Studie. „Inspiriert von diesem Prinzip haben wir ionengetriebene Hydrogele im Mikrometerbereich entwickelt. Genau wie menschliche Muskeln bewegen sich diese Hydrogele, wenn elektrische Signale die darin enthaltenen Ionen stimulieren. In unserer Arbeit verwenden wir lediglich 1,5 Volt, was unterhalb der Elektrolyseschwelle in wässrigen Umgebungen liegt und somit völlig unbedenklich ist, beispielsweise im menschlichen Körper.“
Um die winzigen Anordnungen herzustellen, nutzen die Wissenschaftler eine Methode namens Zwei-Photonen-Polymerisation, auch bekannt als 2PP. Das Team druckte die Hydrogel-Zilien Schicht für Schicht im Nanometerbereich, um die Netzwerkstruktur des Hydrogels und die Aktuierungsleistung zu optimieren.
„Die Flüssigkeit in unserem Hydrogel bewegt sich so schnell, weil wir winzige Poren im Nanometerbereich im gesamten Material erzeugt haben. Diese Poren wirken wie Miniaturautobahnen, die den Flüssigkeitsfluss beschleunigen und größere Mengen ermöglichen, was zu stärkeren und effektiveren Bewegungen führt“, erklärt Wenqi Hu, ehemaliger Leiter der Forschungsgruppe für bioinspirierte autonome Miniaturroboter am MPI-IS und jetziger Assistenzprofessor an der Hong Kong University of Science and Technology. „Mit unserem Herstellungsverfahren genügt bereits eine sehr niedrige Spannung, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, das die Ionen zu einer schnellen Bewegung anregt. Dank der Porenstruktur und des starken elektrischen Feldes können unsere künstlichen Zilien extrem schnell reagieren.“
Das Team testete seine mikrorobotischen Zilien über 330.000 Mal. Die winzigen Strukturen zeigten nahezu keine Abnutzungserscheinungen. Diese Anzahl an Zyklen entspricht etwa einem Tag kontinuierlichen Schlagens mit 5 Hz – was in etwa der natürlichen Lebensdauer echter biologischer Zilien entspricht. Die Forscher demonstrierten zudem, dass ihre künstlichen Zilien in verschiedenen Flüssigkeiten funktionieren, darunter auch in biologisch relevanten Flüssigkeiten wie menschlichem Serum und Mausplasma.
