Lichtbetriebene Zahnräder: Die kleinsten Motoren für die Medizin bauen

Der Trend zur Miniaturisierung hat sich über eine Vielzahl von Branchen verbreitet.

Insbesondere laufen Anstrengungen, kleinere, effizientere und leistungsfähigere Geräte in verschiedenen Bereichen zu schaffen, darunter Elektronik, Künstliche Intelligenz, Raumfahrt und Medizin.

Das Konzept der Miniaturisierung beinhaltet schlicht die Herstellung kleinerer Produkte und Geräte. Dies führt zu leichteren, kompakteren und tragbaren Produkten mit verbesserter Leistung und geringeren Kosten, was zu größerer Zugänglichkeit und Innovation führt.

Die Miniaturisierung mechanischer Maschinen ist tatsächlich entscheidend für den Fortschritt der Nanotechnologie und die Reduzierung der Umweltauswirkungen des Geräts. Allerdings ist sie komplexer, weil sich die strukturellen Eigenschaften mechanischer Teile beim Herunterskalieren ändern.

In der Mechatronik arbeiten Forscher seit einigen Jahrzehnten daran, zentrale Maschinenelemente wie Zahnräder und Mikromotoren zu verkleinern. Diese ingenieurtechnischen Bemühungen stießen jedoch bei etwa 0,1 Millimetern (mm) an Grenzen.

Das liegt an den Komplexitäten beim Bau von Antriebssträngen und Kupplungssystemen in solch kleinem Maßstab.

Ein Forscherteam der Universität Göteborg hat jedoch endlich eine Alternative gefunden, um dies zu erreichen. In Nature veröffentlicht, beschreibt die Studie mit dem Titel Microscopic geared metamachines¹ ihren Ansatz, bei dem optische Metasurfaces (OM) verwendet werden, um die winzigen Maschinen lokal anzutreiben.

Der neue Ansatz kann tatsächlich mit Standard-Lithographieverfahren gefertigt und nahtlos auf dem Chip integriert werden, wodurch die Forscher Größen im Bereich von Zehntausenden Mikrometern (μm) mit Bewegungen erreichen können, die bis zur Submikrometergenauigkeit präzise sind.

Im Rahmen ihres Machbarkeitsnachweises demonstrierte das Team den Bau mikroskopischer Getriebe, die von einem einzigen Antriebszahnrad angetrieben werden, wobei eine Metasurface durch eine ebene Lichtwelle aktiviert wird. Sie entwickelten außerdem eine „vielseitige Ritzel‑ und Zahnstangen‑Mikromaschine“, die periodische Bewegungen ausführen, Rotationsbewegungen umwandeln und winzige Spiegel zur Lichtablenkung steuern kann.

Der on‑Chip‑Fertigungsprozess ermöglicht eine unkomplizierte Integration. Gleichzeitig erlaubt die Nutzung von Licht als leicht steuerbare Energiequelle miniaturisierten Metamaschinen präzise Bewegungen und Kontrolle, wodurch, wie die Studie feststellt, neue Möglichkeiten für Mikro‑ und Nanosysteme eröffnet werden.

Verkleinerung mechanischer Systeme für fortgeschrittene Miniaturisierung

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Von antiken Mühlen bis zu moderner Robotik und von einfachen Uhren bis zu komplexen Autos sind Zahnräder überall zu finden, was den Fortschritt der menschlichen Technologie widerspiegelt. 

Diese getriebenen Mechanismen sind Systeme, bei denen ineinandergreifende Zahnräder Bewegung, Kraft und Leistung übertragen, um Aufgaben effizient zu erledigen. Sie sind entscheidend für die Automobil-, Luftfahrt-, Robotik‑ und andere Anwendungen und bieten präzise Kontrolle, indem sie die Geschwindigkeit ändern und den mechanischen Vorteil erhöhen.

Aktuelle Fortschritte bei Zahnrädern konzentrieren sich darauf, sie auf Mikrometer‑Skala zu miniaturisieren, was Abfall reduziert und die Materialeffizienz steigert. 

Dies wird zudem neue Möglichkeiten eröffnen, Mechanismen zu entwickeln und eine Längenskala zu erforschen, die bisher unerreichbar bleibt. Beispielsweise wird die Verkleinerung des Systems uns ein tieferes Verständnis von Reibung und Oberflächeninteraktionen ermöglichen, während Innovationen wie Hochleistungs‑Mikrofluidik‑Geräte und rekonfigurierbare optische Technologien ermöglicht werden.

Derzeit konzentrieren sich die Bemühungen in diesem Bereich darauf, einzelne Mikromotoren zu schaffen, kleine Objekte, die rotieren können. Um sie anzutreiben, wurden Mechanismen wie statische und AC‑elektrische Felder, Lichtfelder und Magnetfelder untersucht.

Das Problem bestand jedoch darin, Mikromotoren in kleine, funktionierende Getriebemechanismen zu integrieren, was einen skalierbaren Ansatz erforderlich machte.

Der jüngste Forschungserfolg bietet eine Lösung, indem winzige Zahnräder geschaffen werden, die direkt durch Licht angetrieben werden können, wodurch die Konstruktion der kleinsten Motoren für On‑Chip‑Anwendungen ermöglicht wird.

Wie die Studie feststellte, haben jüngste Fortschritte im Bereich aktiver Materie ungerichtetes Licht verwendet, um winzige Fahrzeuge mit Metasurfaces zu bewegen, die seitliche optische Kräfte durch gerichtete Lichtstreuung erzeugen. 

Mikrofahrzeuge mit diesen Nanostrukturen, die in einem parallelen Muster angeordnet sind, wurden gezeigt, dass sie sich unter linear polarisiertem Licht vorwärts bewegen. Sie können auch mittels polarisiertem Licht über Spin‑Drehimpuls‑Transfer gesteuert werden. 

Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Anordnung der Streuer in einem kreisförmigen Muster eine Rotation unter linear polarisiertem Licht ermöglicht. Noch fortschrittlichere Designs verwenden vier individuell ansprechbare chirale plasmonische Nanoantennen, die durch Anwendung von Licht mit zwei Wellenlängen eine vollständige 2‑D‑Bewegungssteuerung ermöglichen.

Aufbauend auf diesen Fortschritten hat das Team einen Getriebemechanismus geschaffen, der von optischen Metasurfaces angetrieben wird, die unter konstanter Beleuchtung funktionieren.

Metasurfaces sind speziell konstruierte, ultradünne 2D‑Materialien, die aus subwellenlängen Strukturen bestehen und elektromagnetische Wellen durch Manipulation ihrer Phase, Amplitude und Polarisation steuern.

Durch präzises Formen dieser Wellen ermöglichen Metasurfaces Anwendungen wie Linsen, holographische Anzeigen, fortschrittliche Sensoren, effiziente Energiegewinnung und verbesserte drahtlose Kommunikationssysteme.

Optische Metasurfaces (OMs) bieten hier vielversprechende Kandidaten, um das Engpassproblem sperriger optischer Elemente zu lösen. Sie bieten einen neuen Weg, Licht anhand der Streuung von resonanten Nanostrukturen zu manipulieren und damit effiziente Phasen-, Polarisations- und Emissionskontrolle zu ermöglichen.

Um das optische Metamaterial direkt in die Zahnräder auf einem Mikrochip einzubetten, nutzte das Team Standard‑Photolithografie.

Photolithografie ist ein Mikro­fertigungsverfahren, das Licht verwendet, um ein geometrisches Muster von einer Fotomaske auf ein lichtempfindliches Material (Photoresist) auf einem Substrat, wie einem Siliziumwafer, zu übertragen. Dieser Prozess ist entscheidend für die Erstellung der komplexen Muster in Halbleitern.

Als Material für die Zahnräder, die jeweils nur etwa einige zehn Mikrometer (konkret 0,016 μm) im Durchmesser haben, verwendete das Team Silizium.

Silizium (Si) ist ein entscheidendes Element für die moderne Technologie und dient als essentielles Halbleitermaterial in Mikrochips und Transistoren. Das Team nutzte es als Hauptmaterial wegen seiner Kompatibilität mit Photolithografie, wodurch die großskalige Fertigung erleichtert wird.

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Die Medizin mit winzigen Maschinen revolutionieren

Anstatt traditionelle Mechanik zu verwenden, nutzte das Forschungsteam der Universität Göteborg Laserlicht, um mikroskopische Zahnräder zu bauen, die nicht nur rotieren, sondern auch die Richtung ändern und sogar mikroskopische Maschinen antreiben können.

Der Motor ist so klein, dass er problemlos in ein Haar passt. Man hofft, dass diese Fortschritte zu futuristischen medizinischen Werkzeugen führen, die nur die Größe von menschlichen Zellen haben.

Mit diesem Durchbruch haben die Forscher die Beschränkung beim Bau kleinerer Antriebsstränge, die Mikro‑Motoren bewegen und ihren Fortschritt bei 0,1 mm zum Stillstand brachten, überwunden, indem sie die Antriebsstränge vollständig weggelassen haben.

Die mikroskopischen Maschinen werden stattdessen durch Laserlicht in Bewegung gesetzt. Dafür nutzte das Team optische Metamaterialien, die kleinen, kunstvoll strukturierten Strukturen, die Licht mit großer Präzision und auf sehr kleinem Maßstab erfassen und steuern können.

Durch das Bestrahlen des Metamaterials mit einem Laser lässt das Forschungsteam das Zahnrad rotieren, und durch die Kontrolle der Laserlichtintensität steuern sie die Geschwindigkeit. Darüber hinaus können sie die Drehrichtung des Zahnrads ändern, indem sie die Lichtpolarisation anpassen.

“Wir haben ein Getriebe gebaut, bei dem ein lichtgetriebenes Zahnrad die gesamte Kette in Bewegung setzt. Die Zahnräder können zudem Rotation in lineare Bewegung umwandeln, periodische Bewegungen ausführen und mikroskopische Spiegel zur Lichtablenkung steuern.”

– Gan Wang, Erstautor der Studie & Forscher für Soft‑Matter‑Physik an der Universität

Diese Fähigkeit, mikroskopische Maschinen direkt auf einem Chip zu integrieren und sie mit Licht anzutreiben, eröffnet spannende neue Möglichkeiten. 

Als ersten Schritt sind die Forscher einem weiteren Schritt näher, Mikromotoren zu bauen, die zu komplexen Mikrosystemen skaliert werden können, da Laserlicht leicht zu steuern ist und keinen festen Kontakt mit der Maschine erfordert.

“Dies ist ein grundlegend neuer Ansatz, über Mechanik im Mikromaßstab nachzudenken. Indem wir sperrige Kupplungen durch Licht ersetzen, können wir endlich die Größengrenze überwinden.”

– Wang

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Mikromaschinen und Nanomaschinen, die kleine Partikel manipulieren oder in Lab‑on‑a‑Chip‑Systeme integriert werden können, um biologische Systeme zu beurteilen.

Die Nutzung von Licht als weit verbreitete und biokompatible Energiequelle macht den Mikromotor besonders geeignet, Zellen, Bakterien und andere biologische Materie zu manipulieren. 

Das System nutzte einen Standard‑Laser mit 1064 nm, der von Wasser und Geweben nur wenig absorbiert wird und dadurch Schäden an biologischen Proben minimiert. Außerdem arbeitet das Licht mit geringem Leistungsbedarf, nur wenigen mW, und liegt innerhalb der sicheren Schwellenwerte für biologische Systeme.

Bemerkenswert ist, dass das Licht gezielt auf das Antriebszahnrad gerichtet werden kann, wodurch ein direktes Aussetzen biologischer Proben an die Lichtquelle vermieden wird. Dieser indirekte, nicht schädliche Mechanismus zur Energieübertragung erweitert die Anwendungen lichtbetriebener Metamaschinen und Mikromotoren in biomedizinischen Umgebungen.

Genauer gesagt können mikroskopische Zahnräder helfen, Flüssigkeitsflüsse zu regulieren oder Arzneimittelabgabesysteme zu steuern.

Mit Zahnradgrößen von 16 bis 20 μm, der Größe bestimmter menschlicher Zellen, könnten die neuen Mikromotoren als Pumpen im menschlichen Körper eingesetzt werden, um verschiedene Strömungen zu regulieren, und sie könnten auch als Ventile fungieren, die öffnen und schließen.

Zusätzlich ist der komplexe, mehrstufige On‑Chip‑Fertigungsprozess, der hier verwendet wird, mit der weit verbreiteten Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor (CMOS)‑Lithografie kompatibel, was seine reibungslose Integration mit anderen CMOS‑Komponenten wie plasmonischen Sensoren und Metallinsen erleichtert.

Mit seinen lichtbetriebenen Zahnrädern im Mikrometer‑Maßstab verspricht die Studie bahnbrechende Fähigkeiten in mikro‑ und nanoskaligen mechanischen Systemen. Es gibt jedoch weiterhin eine Einschränkung, da vorgefertigte Metasurfaces verwendet werden, die die dynamische Bewegungsanpassbarkeit einschränken.

Um dies zu beheben, empfahlen die Forscher die Integration von Phasenübergangsmaterialien wie Vanadiumdioxid (VO2) in das Metasurface‑Design. Dies ermöglicht die Echtzeit‑Umkonfiguration optischer Eigenschaften als Reaktion auf externe Stimuli wie Licht, Temperatur oder elektrische Felder.

Sie schlugen zudem alternative Metasurface‑Materialien wie TiO2 vor, um das Betriebswellenlängenband in den sichtbaren Lichtbereich zu erweitern, was die optische Kalibrierung vereinfachen und potenziell die Anpassungsfähigkeit, Leistung und Anwendbarkeit des Systems in unterschiedlichen Umgebungen verbessern wird.

Der Sprung der Miniaturisierung in die Medizin

Miniaturisierung hat die Elektronik seit Jahrzehnten revolutioniert. Die Herstellung kleinerer, energieeffizienterer und leistungsstarker Geräte hat Fortschritte bei Smartphones, Wearables und Kommunikationssystemen ermöglicht.

Dies ist jedoch ebenso wichtig in der Medizin, wo Miniaturmaschinen eine höhere Präzision ermöglichen. Solche Werkzeuge können nicht nur die Diagnostik verbessern, sondern auch neue Therapien auf zellulärer Ebene ermöglichen und das Gesundheitswesen zugänglicher machen.

Daher erforschen Wissenschaftler die Erweiterung der Miniaturisierung auf die Medizin.

Wie wir bei den Metasurface‑Zahnrädern aus Göteborg gesehen haben, lösten sie Engpässe bei der Ansteuerung, indem sie Antriebsstränge eliminierten. Ein weiteres Team hat das Problem gelöst, indem es Sensorik direkt in die Maschinen einbettete, und ebnet damit den Weg für reale Anwendungen intelligenter Miniaturgeräte.

Das Forscherteam der School of Integrated Circuits und des Wuhan National Laboratory for Optoelectronics der Huazhong University of Science and Technology, China, hat miniaturisierte magneto‑ultraschall‑Maschinen für drahtlose robotische Sensorik und Manipulation entwickelt.

Diese Studie behandelt das Problem der Inkompatibilität von Sensorik und Ansteuerung auf mikroskopischer Skala, das die Entwicklung intelligenter Miniatursysteme behindert, die die biomedizinischen Anwendungen erheblich voranbringen könnten.

Als Lösung schlugen die Forscher einen neuen Ansatz vor, der eingebettete ultraschallbasierte weiche Sensoren (EUSS) mit magnetischen Aktuatoren kombiniert. Der EUSS ist weich, kompakt und leicht im Design. Mit einem Gewicht von nur 4,6 mg und Abmessungen von 1,3 mm × 1,3 mm × 1,6 mm ist er sowohl mit weichen als auch mit starren Komponenten in Größe und Verformbarkeit kompatibel.

Zudem entwickelte das Team integrierte Wandler und nutzte neben externen Magnetfeldern passive Ultraschallkommunikation, die ihnen ermöglichte, Kraft, Vibration, Temperatur und Viskosität drahtlos zu erfassen und zu regulieren.

Bei Tests an Kaninchen und Schweinen stellte das Team fest, dass das Gerät eine genaue Medikamentendosierung, physiologische Überwachung und robotergesteuerte Rückkopplungskontrolle ermöglichte.

In einem anderen Fall entwickelten EPFL‑Forscher ein miniaturisiertes Brain‑Machine‑Interface (MiBMI), das die Effizienz sowie Skalierbarkeit von BMIs verbessert und einen vielversprechenden Weg bietet, die Kontrolle und Kommunikation für Personen mit schweren motorischen Beeinträchtigungen wiederherzustellen.

Da das System klein und stromsparend ist, eignet es sich für implantierbare Anwendungen, während seine minimale Invasivität die Patientensicherheit gewährleistet. Es ist ein vollständig integriertes System, bei dem Aufzeichnung und Verarbeitung auf zwei wirklich kleinen Chips erfolgen.

“MiBMI ermöglicht es uns, komplexe neuronale Aktivität mit hoher Genauigkeit und geringem Stromverbrauch in lesbaren Text umzuwandeln. Dieser Fortschritt bringt uns praktischen, implantierbaren Lösungen näher, die die Kommunikationsfähigkeiten von Personen mit schweren motorischen Beeinträchtigungen erheblich verbessern können.”

– Mahsa Shoaran, deren Integrated Neurotechnologies Laboratory (INL) an der EPFL das Gerät entwickelt hat

Investitionen in die Zukunft miniaturisierter Technologie

Während die Marktkapitalisierung von $122,6 Mrd. Medtronic (MDT ) ein breites Portfolio an Medizinprodukten wie Mikrosensoren, Aktuatoren und robotischen Assistenzgeräten aufweist und die Marktkapitalisierung von $12 Mrd. Lumentum Holdings (LITE ) das optische und photonische Feld vorantreibt, werden wir heute das Investitionspotenzial von SiTime Corporation (SITM ) beleuchten, das veranschaulicht, wie MEMS (Mikro‑Elektro‑Mechanische Systeme) skalieren und wie ihre Integration in Chips kommerziell gehandhabt wird.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime ist ein Analog‑ und Halbleiterunternehmen, dessen Produkte für präzises Timing in Elektronik eingesetzt werden.

Erst diese Woche kündigte SiTime Corporation die Einführung der Titan Platform an, einer Familie von MEMS‑Resonatoren, die etwa viermal kleiner ist als die kleinsten herkömmlichen Quarz‑Alternativen. Laut Unternehmen wird dies „beispiellose Miniaturisierung“ ermöglichen sowie die Integration in kleine, batteriebetriebene Geräte, die die nächste Innovationswelle in Medizinprodukten, Wearables und industriellem IoT antreiben.

Mit einer Marktkapitalisierung von fast $8 Mrd. werden SiTime‑Aktien derzeit zu $306,5 gehandelt, ein Anstieg von 42,3 % seit Jahresbeginn (YTD). Erst im April des letzten Jahres lagen die SITM‑Aktien unter $100 und sind seitdem um mehr als 323 % gestiegen. Die Aktie ist zudem seit diesem April‑Tief um über 106 % gestiegen, im Einklang mit dem breiten Aktienmarkt, der Rekordhöhen erreicht hat. 

Finanziell meldete das Unternehmen einen Anstieg des Nettoumsatzes um 58 % auf $69,5 Millionen für das zweite Quartal 2025.

Der GAAP‑Bruttogewinn betrug $36,1 Millionen, die GAAP‑Betriebskosten $60,7 Millionen und der GAAP‑Nettogewinn ein Verlust von $20,2 Millionen, bzw. $0,84 pro verwässerter Aktie. Gleichzeitig betrug der non‑GAAP‑Bruttogewinn $40,5 Millionen, die non‑GAAP‑Betriebskosten $33,3 Millionen und das non‑GAAP‑Nettoeinkommen $11,6 Millionen, bzw. $0,47 pro verwässerter Aktie.

“Der anhaltende Schwung von SiTime in unseren Endmärkten zeigt, dass unser Fokus auf Hochleistungsanwendungen funktioniert. Der Umsatz aus unserem Kommunikations‑, Unternehmens‑ und Rechenzentrumsmarkt (CED) wuchs im Jahresvergleich um 137 %, angetrieben durch KI, die eine starke Nachfrage nach unseren Präzisions‑Timing‑Lösungen erzeugte.”

– CEO Rajesh Vashist

Das Unternehmen beendete das Quartal mit $796,7 Millionen an Gesamtliquidität, liquiden Mitteln und kurzfristigen Investitionen.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu SiTime Corporation (SITM) Aktien

Fazit

Mikro‑Engineering hat das Potenzial, unseren mechanischen Ansatz für mikroskopische Systeme zu transformieren, und der jüngste Durchbruch bei der Herstellung von Zahnrädern im Mikrometer‑Maßstab macht dies möglich. Die neu entwickelten winzigen, lichtbetriebenen Zahnräder versprechen, die Medizin zu revolutionieren, indem sie Maschinen von der Größe menschlicher Zellen antreiben.

Dies spiegelt den Übergang der Miniaturisierung von der Elektronik zur Medizin wider, was zeigt, dass das Herunterskalieren von Technologie nicht nur um Effizienz geht, sondern auch um das Erschließen völlig neuer Möglichkeiten.

Im Laufe der Zeit werden diese Geräte immer kleiner und leistungsfähiger werden und den Weg für autonome Mikrosysteme ebnen, die eines Tages nahtlos im menschlichen Körper arbeiten könnten, wo sie Strömungen regulieren, Medikamente abgeben und möglicherweise Gewebe auf zellulärer Ebene reparieren.

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Referenzen:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Microscopic geared metamachines. Nature Communications, 16:7767. (Version of Record), veröffentlicht am 20. August 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62869-6
2. Liu, X., Tang, H., Li, N., He, L., Tian, Y., Hao, B., Xue, J., Yang, C., Sung, J. J. Y., Zhang, L., & Zang, J. (2025). Miniature magneto-ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation. Science Robotics, 10(106). (Version of Record), veröffentlicht am 17. September 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
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