Mikro-Drohnen: Winzige Flugobjekte bewegen sich mit Lichtantrieb durch Flüssigkeiten

Forscher:innen der Universität Würzburg haben winzige Drohnen entwickelt, die mittels der Rückstoßkraft von Licht angetrieben werden. Dabei fungieren Lichtmotoren aus Goldpartikeln als Propeller. Mit Hilfe eines Laserlichts lassen sich die kleinen Drohnen so durch ein flüssiges Medium steuern.

Winzige Drohnen in Flüssigkeit

Im Alltag bekommt man sie nicht, aber gerichtetes Licht kann ähnlich wie ein Lichtstrom eine Kraft ausüben. Wirklich beeinflussen können die Photonen des Lichts so aber nur kleine und leichte Gebilde. So kann das Sonnenlicht etwa den aus feinen Partikeln bestehenden Schweif eines Kometen ablenken. Diese Kraft ist seit einiger Zeit auch im Fokus technischer Entwicklungen. Ein prominentes Beispiel sind Lichtsegel, die leichte Raumfahrzeuge antreiben sollen. Eine Gruppe Forscher:innen rund um Bert Hecht von der Universität Würzburg möchte sich nun die Rückstoßkräfte zunutze machen, die Lichtteilchen verursachen, wenn sie ein Objekt verlassen.

Die Wissenschaftler:innen haben diesen Effekt utilisiert, um winzige Drohnen herzustellen, die nicht größer als ein rotes Blutkörperchen sind. Bei dem Design orientierte das Team sich an der Fortbewegung gewöhnlicher Flugdrohnen im Quadrocopter-Design. Bei diesen Drohnen operieren vier Propeller unabhängig voneinander und erzeugen gerichtete Luftströme, mit deren Hilfe Kontrolle über die Bewegungen der Drohnen ausgeübt werden kann. Die Würzburger Wissenschaftler:innen ersetzten diese Rotoren durch Lichtmotoren, die steuerbar Licht in bestimmte Richtungen abgeben, wenn sie durch Laserlicht mit verschiedenen Merkmalen angestrahlt werden.

Goldmotoren mit Lichtantrieb

Die mikroskopischen Drohnen bestehen aus einer durchsichtigen Polymerscheibe mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern. Eine seitliche Einkerbung hilft den Forscher:innen dabei, die Ausrichtung der Scheibe zu erkennen. In diese Scheibe betteten die Forscher:innen dann vier Lichtmotoren ein, die unabhängig voneinander steuerbar sind. Diese Lichtmotoren bestehen aus stabförmigen Goldpartikeln. Die Konfiguration der Partikel bestimmt dabei, auf welche Strahlungsart diese ansprechen. „ Diese Motoren basieren auf in Würzburg entwickelten optischen Antennen – also auf winzigen metallischen Strukturen mit Abmessungen im Bereich der Lichtwellenlänge. Sie wurden dabei auch speziell für den Empfang von zirkular polarisiertem Licht optimiert„, so Xuaifei Wu, Erstautor der Studie.

Das einfallende Licht wird von den Lichtmotoren in bestimmte Richtungen seitlich abgestrahlt – in Abhängigkeit des Drehsinns der Polarisation sowie zwei verschiedener Lichtwellenlängen. Indem sie die Motoren mit vier verschiedenen Strahlungsarten bestrahlen, können die Forscher:innen diese selektiv aktivieren. Die dabei entstehenden Rückstoßkräfte ermöglichen es, die kleinen Drohnen gerichtet zu bewegen und sie über eine Unterlage in einem flüssigen Medium zu steuern.

Nun möchte das Team die Mikro-Drohnen weiter optimieren, etwa durch die Erweiterung der bisher zweidimensionalen Steuerung. Ziel ist es, auch die Höhe der Drohne über der Oberfläche kontrollieren zu können. Des Weiteren wollen die Forscher:innen Werkzeuge an den Mikro-Drohnen anbringen. Eines Tages sollen die Drohnen in der Lage sein, Nanostrukturen zusammenzubauen und Oberflächenmerkmale analysieren können.

via Universität Würzburg