Roboterarm ohne Motoren: Mikroalgen biegen Hydrogel um bis zu 300 Grad

Forschende der Technischen Universität Delft in den Niederlanden haben einen weichen Roboterarm vorgestellt, der sich vollständig ohne Motoren, Batterien oder elektronische Bauteile bewegt. Das System wird ausschließlich durch Licht und den Stoffwechsel von Mikroalgen angetrieben. Die Ergebnisse der Untersuchung erschienen am 22. Oktober 2026 im Fachjournal Nature Communications (DOI 10.1038/s41467-026-78653-z).

Zweischichtiger Aufbau und biochemischer Wirkmechanismus

Der Greifarm basiert auf einem Hydrogel-Streifen, der 2 Zentimeter lang, 5 Millimeter breit und 1 Millimeter dick ist. Das Material besteht aus zwei jeweils 0,5 Millimeter dicken Schichten: einer passiven Lage aus Polyacrylamid sowie einer aktiven Schicht aus Phenylboronsäure.

Auf dem Träger wächst die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, die im Labor sieben Tage lang inkubiert wurde und einen 71 Mikrometer dicken Biofilm bildet. Der Aktor kommt dabei ohne Gentechnik aus.

Die Bewegung beruht auf einem lichtinduzierten chemischen Prozess. Bei Bestrahlung setzt die Photosynthese der Algen ein, wodurch der pH-Wert innerhalb des Hydrogels von etwa 8 auf bis zu 11 ansteigt. Diese alkalische Veränderung führt dazu, dass die aktive Schicht aufquillt und dabei mehr als das Vierfache ihres ursprünglichen Gewichts erreicht.

Infolge der einseitigen Volumenzunahme biegt sich der Streifen. Schaltet man die Lichtquelle ab, setzt die Zellatmung der Mikroorganismen ein. Durch das freigesetzte Kohlendioxid sinkt der pH-Wert wieder ab, woraufhin die Rückbiegung bereits innerhalb von 10 Sekunden beginnt.

Stellkraft, Reaktionszeiten und Demonstrationen

Erste Reaktionen des Materials zeigen sich nach 10 bis 20 Sekunden Beleuchtung. Eine vollständige Krümmung um bis zu 300 Grad beansprucht bis zu 18 Stunden; mikroskopische Videoaufnahmen des Vorgangs wurden um das 1800- bis 3600-Fache beschleunigt.

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Nach 15 Stunden Beleuchtungszeit erreicht die Konstruktion eine maximale Stellkraft von 0,8 Millinewton, was einer Traglast von rund 80 Milligramm entspricht.

In Demonstrationen hob ein hakenförmiger Aktor einen 52,5 Milligramm schweren Gummiring an. Zudem nutzten die Forschenden einen Vier-Finger-Greifer, um eine Metallkugel mit einem Gewicht von 18,4 Milligramm zu fassen. Tests belegen, dass der biohybride Aktor mindestens 60 Tage lang funktionsfähig bleibt.

Einordnung als Grundlagenforschung

Das Vorhaben wurde durch den Europäischen Forschungsrat gefördert. Geleitet wurde die Untersuchung von Marie-Eve Aubin-Tam, Erstautor der Publikation ist Fan Jiang; als Ansprechpartner an der TU Delft fungiert Marc Kool. Aubin-Tam ordnete die Entwicklung als Grundlagenforschung im Bereich lebender Materialien ein. Es handle sich um einen frühen Machbarkeitsnachweis und nicht um ein marktreifes Industrieprodukt.

Klassische Aktoren brauchen Strom, Getriebe und Platz — und stoßen bei autonomen, umweltreaktiven Systemen an ihre Grenzen. Dieser Leitfaden zeigt in 3 Schritten, wie lichtgesteuerte Hydrogele funktionieren, welche Stellkräfte und Reaktionszeiten derzeit belegt sind und wo der Einsatz heute noch scheitert. Leitfaden zu lichtgesteuerten Hydrogelen sichern

Gleichwohl eröffne das Prinzip langfristig Wege zu autonomen, umweltreaktiven Systemen mit minimalem externen Energiebedarf. Als denkbare Einsatzfelder nennen die Wissenschaftler lichtgesteuerte Jalousien, Anwendungen in der Landwirtschaft, autonome weiche Robotik sowie Aufgaben im Unterwasserbereich.