Mikroflieger: Polymere auf Mission für die Umwelt

Sie haben die Größe eines Sandkorns und erinnern an trudelnde Ahorn-Samen: die fliegenden Mikrochips, die Forscher der Northwestern University jetzt entwickelt haben. Damit soll künftig die Überwachung von Luftverschmutzung oder durch die Luft übertragbarer Krankheiten möglich sein. Eine tragende Rolle spielen dabei Polymere. Im Interview mit K-MAG erzählt John Rogers mehr darüber.

Sie haben geflügelte Mikrochips entwickelt. Worum handelt es sich dabei genau?

John Rogers: Diese Geräte kombinieren Ansammlungen von dreidimensionalen (3D) Flügelstrukturen in hubschrauberähnlichen Geometrien mit integrierten Schaltkreis-Chips. Während des freien Falls führen die Wechselwirkungen zwischen diesen geflügelten Mikrochips und den Windmustern zu einem Rotationsflugverhalten, das die Zeit für die Interaktion mit der Atmosphäre verlängert und die Gesamtdistanz für die Ausbreitung in einer bestimmten Umgebung maximiert. Die Geräte können von einer Drohne oder einem Flugzeug aus freigesetzt werden; alternativ können sie in Gehäusen, die sich in bestimmten Höhen öffnen, direkt vom Boden aus in die Luft gebracht werden.

Nach welchem Prinzip funktionieren sie? Wovon sind sie inspiriert?

Rogers: Die Aerodynamik dieser Geräte führt zu kontrollierten, passiven Flugmodi, ähnlich den Mechanismen, die mit Ahornsamen, Tristellateia-Samen und bestimmten anderen Arten von windverbreiteten Samen verbunden sind. Unsere Entwürfe orientieren sich an diesen Samen, allerdings in kleinerer und optimierter Form, die durch Computermodellierung und kontrollierte experimentelle Studien in Windkanälen gesteuert wird. Zur Herstellung dieser Geräte verwenden wir ein Verfahren, das auf Prinzipien beruht, die von den Pop-up-Büchern für Kinder übernommen wurden, um flache 2D-Vorläufer in 3D-Flügelansammlungen in spiralförmigen Konfigurationen zu verwandeln. Die Mikrochips dienen in diesen Systemen als Nutzlast, ähnlich wie die Pflanzenembryonen der vom Wind ausgestreuten Samen.

Welche Rolle spielen die Polymere dabei? Warum haben Sie sich für diese Materialien entschieden?

Rogers: Wir verwenden Polymermaterialien für die Flügel. Polymere sind attraktiv, weil sie leicht und physikalisch robust sind und weil sie chemisch so gestaltet werden können, dass sie sich mit den Oberflächen der Mikrochips verbinden. Außerdem können wir diese Materialien so formen und manipulieren, dass 3D-Flügel mit winzigen Abmessungen von weniger als einem Millimeter Länge entstehen, die sich selbst in die kleinsten Mikrochip-Technologien integrieren lassen.

Welchen Beitrag leisten sie zum Schutz der Umwelt?

Rogers: Wir stellen uns den Einsatz dieser Geräte in verteilten, drahtlosen Netzwerken zur Überwachung von Umweltprozessen oder zur Verfolgung von Maßnahmen zur Beseitigung von Chemieunfällen vor. Der passive Flug bildet die Grundlage dafür, diese Geräte auf einfache Weise über große Gebiete zu verbreiten. Farbverändernde chemische Reagenzien, die auf eine bestimmte Umweltspezies reagieren, oder digitale elektronische Sensoren, die Veränderungen von Wetterparametern erfassen, bieten quantitative Informationsquellen auf drahtlose Weise.