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Elektrische Rekorde der Natur Neue bionische Werkstoffe nach Vorbild des Kraken

Ein Gastbeitrag von Dr. Anna-Lena Gutberlet 6 min Lesedauer

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Kraken sind faszinierende Meeresbewohner mit einzigartigen Eigenschaften. Kein Wunder, dass sie Vorbild für viele Entwicklungen sind – von der selbstheilenden Haut über Displays bis hin zu Greifsystemen.

Natur als Vorbild: Für eine bessere Leistung und Effizienz von Produkten greifen Forscher auf biologische Prinzipien des Kraken zurück. Die Eigenschaften übertragen die Forscher auf technische Anwendungen.(Bild: © simo – stock.adobe.com)
Natur als Vorbild: Für eine bessere Leistung und Effizienz von Produkten greifen Forscher auf biologische Prinzipien des Kraken zurück. Die Eigenschaften übertragen die Forscher auf technische Anwendungen.
(Bild: © simo – stock.adobe.com)

Um die Leistung und Effizienz von Produkten zu verbessern, werden biologische Prinzipien aus der Natur erforscht und auf technische Anwendungen übertragen. Kopffüßer – eine Familie von Meerestieren, zu der Tintenfische, Kraken und Kalmare gehören – besitzen eine Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften, die Wissenschaftler faszinieren. Ein Überblick über technische Entwicklungen, die von den Meeresbewohnern inspiriert wurden.

Synthetische Haut mit variabler und steuerbarer 3D-Textur

Kraken sind Meister der Tarnung. Die Kopffüßer besitzen nicht nur die Fähigkeit, ihre Hautfarbe ihrer Umgebung anzupassen oder sich elektrisch unsichtbar zu machen, sie sind auch in der Lage, die Struktur ihrer Haut an ihre Umgebung anzugleichen.

Forscher der Cornell University in Ithaca, New York, entwickelten ein Material, das der Tarnfähigkeit des Oktopus sehr nahe kommt. Die synthetische Haut besteht aus einem Fasernetzt, das in Silikon eingebettet ist. Analog zur Unterhautmuskulatur des Oktopus kann das pneumatisch steuerbare Material so modifiziert werden, dass eine beliebig variierbare 3D-Textur entsteht. Im Detail besteht das Material aus ringförmigen, papillenähnlichen Strukturen, deren Höhe lokal beliebig manipuliert werden kann [1].

Leuchtende Farbdisplays nach dem Tintenfischhaut-Prinzip

Bild 1: Die neue Farbdisplay-Technik der Rice University ist in der Lage, Dutzende von Farben zu erzeugen, darunter satte Rot-, Grün- und Blautöne, die mit denen von hochauflösenden LC-Displays vergleichbar sind.(Bild: J. Olson/Rice University)
Bild 1: Die neue Farbdisplay-Technik der Rice University ist in der Lage, Dutzende von Farben zu erzeugen, darunter satte Rot-, Grün- und Blautöne, die mit denen von hochauflösenden LC-Displays vergleichbar sind.
(Bild: J. Olson/Rice University)

Obwohl Tintenfische farbenblind sind, können sie Farben wahrnehmen. Und zwar über die Haut. Nur deswegen, können sie sich so gut tarnen und selbst Hintergrund-Details schemenhaft auf ihren Tentakeln abbilden. Schon länger beschäftigen sich Forschende damit, diese Fähigkeiten zu verstehen und nachzuahmen. Dazu untersuchten Forschende der Rice University die Haut der Tintenfische. Diese besteht aus drei Schichten mit unterschiedlichen Funktionen: Die oberste Schicht besteht aus Chromatophoren. Diese Zellen besitzen eine dehnbare Außenhülle und verschiedenfarbige Pigmente. Ein Muskelring steuert, ob sich die Zelle ausdehnt – es entsteht ein Farbpixel – oder zusammenzieht – das Farbpixel ist von außen nicht mehr sichtbar.

Die mittlere Schicht enthält die Iridophoren, das sind Zellen, die die Farben der Umgebung des Tieres reflektieren. Die unterste Schicht bilden die Leukophoren. Das sind passive weiße Hautzellen, die als eine Art Hintergrund für die anderen Farben dienen. Die Haut enthält auch lichtempfindliche Moleküle, so genannte Opsine, die denen in der menschlichen Netzhaut ähneln. Die Funktion der Opsine ist noch nicht vollständig geklärt. Man vermutet aber, dass sie den Kopffüßern helfen, mit ihrer Haut zu „sehen“.

Die Entwicklung der Rice-Forscher besteht aus einem Gitter von Quadraten, die auch jeweils aus mehreren Schichten bestehen. Die oberste enthält einen wärmeempfindlichen Farbstoff, der seine Farbe reversibel ändert: von schwarz bei Raumtemperatur zu farblos bei 47 °C. Dies entspricht den Chromatophoren eines Tintenfisches. Die nächste Schicht ist ein dünner Silberstreifen, der wie die Leukophoren einen weißen Hintergrund bildet. Darunter befindet sich eine Diode, die den darüber liegenden Farbstoff erwärmt und seine Farbe steuert – das Äquivalent zu den Muskeln, die die Chromatophoren steuern. Schließlich gibt es noch eine Schicht mit einem Lichtdetektor in einer Ecke, ähnlich den Opsinen in der Haut eines Kopffüßers. Das Ganze sitzt auf einer flexiblen Basis, so dass sich die Anordnung biegen und dehnen lässt, ohne zu brechen.

Farbdisplay-Technik mit Pixeln von 5 Mikrometern

Bild 2: Die Rice-Forscher stimmen die Farbausgabe jedes Arrays ab, indem sie sowohl die Länge der Nanostäbchen als auch die Länge der Zwischenräume zwischen den Nanostäbchen variieren.(Bild: J. Olson/Rice University)
Bild 2: Die Rice-Forscher stimmen die Farbausgabe jedes Arrays ab, indem sie sowohl die Länge der Nanostäbchen als auch die Länge der Zwischenräume zwischen den Nanostäbchen variieren.
(Bild: J. Olson/Rice University)

Die neue Farbdisplay-Technik besteht aus 5 µm großen Pixeln, die jeweils mehrere hundert Aluminium-Nanostäbchen (etwa 40 nm breit und 100 nm lang) enthalten. Durch die gezielte Anordnung der Nanostäbchen (Variation der Länge der Nanostäbchen und Anpassung der Abstände zwischen den Nanostäbchen) konnten die Forscher die Farbe des Pixels einstellen – und so bessere, schärfere und vor allem brillantere Bilder erzielen.

Ziel des Forschungsteams ist es, ein LC-Display zu entwickeln, das viele der gleichen Komponenten verwendet, die in heutigen Displays zu finden sind, einschließlich Flüssigkristalle, Polarisatoren und individuell adressierbare Pixel. Die photonischen Aluminium-Arrays würden anstelle der Farbstoffe verwendet, die in den meisten kommerziellen Displays zu finden sind – einer der Vorteile: Im Gegensatz zu Farbstoffen verblassen oder bleichen die Arrays auch nach längerer Lichteinwirkung nicht aus – und sie funktionieren auch an Land [2, 3].

Selbstheilendes, programmierbares Material, vom Tintenfisch inspiriert

Tintenfische haben noch andere erstaunliche Fähigkeiten: Kleine Verletzungen oder Risse in ihrer Haut können sie ohne fremde Hilfe selbst heilen. Dies geschieht durch Regeneration und Neubildung von Zellen. Da die Haut der Tintenfische relativ einfach aufgebaut ist, kann die Selbstheilung relativ schnell und unkompliziert ablaufen. Im Gegensatz dazu ist die Wundheilung beim Menschen ein sehr komplexer und langwieriger Prozess, der die Koordination verschiedener Zelltypen, Proteine und Signale erfordert. Darüber hinaus führt die Wundheilung beim Menschen häufig zur Bildung von Narbengewebe.

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Kein Wunder, dass Forscher daran arbeiten, ähnliche Konzepte in selbstheilende Materialien zu integrieren: Ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und der Pennsylvania State University hat ein elastisches Material entwickelt, das sich nach einer Verletzung innerhalb von Sekunden selbst repariert. Vorbild für die Entwicklung waren Proteinstrukturen, die natürlicherweise in Tintenfischen vorkommen. Die Forscher haben die Nanostruktur eines neuen elastischen Materials so verändert, dass es nach einem Schnitt oder einer Perforation seine Struktur und Eigenschaften vollständig wiederherstellt – und zwar schneller als der Tintenfisch [4].

Selbstreparierende, weiche Materialien sind für den Bau von robusten und fehlertoleranten Soft Robots – wie der autonome Krakenroboter – unerlässlich. Denn wenn Roboter den Menschen in sehr dynamischen und unvorhersehbaren Umgebungen unterstützen sollen, sind weiche und flexible Materialien gefragt.

Je weicher das Material, desto schneller wird es jedoch beschädigt. Das schränkt die Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit und damit den praktischen Einsatz von Robotern ein. Das neue selbstheilende Material könnte allerdings nicht nur das Forschungs- und Anwendungsgebiet der Soft Robotics revolutionieren, sondern auch in Schutzkleidung eingesetzt werden, etwa für Handschuhe, die sich nach einem Schnitt sofort selbst reparieren können [5].

Haftet im nassen und trockenen – auf glatten und rauen Oberflächen

Kraken nutzen ihre Tentakel mit den Saugnäpfen auf vielfältige Weise. So können sie mit Hilfe chemischer Rezeptoren in den Saugnäpfen ihre Beute erkennen und untersuchen, ohne sie physisch zu berühren – und auch festhalten. Die Saugnäpfe dienen auch zur Fortbewegung und zum Anhaften an verschiedenen Oberflächen. Sie haften auch an rauen Oberflächen, ohne ihre Haftkraft zu verlieren. Das liegt daran, dass ihre Saugnäpfe selbstreinigend sind und jeder Saugnapf über zahlreiche Ringmuskeln verfügt, mit denen der Oktopus die Haftkraft steuern kann. Genau diesen Haftmechanismus wollen Wissenschaftler nachahmen, um Greifsysteme für Roboter und Werkzeuge zu entwickeln, die in rauen Umgebungen – vor allem unter feuchten Bedingungen – eingesetzt werden können.

Forscher der Sungkyunkwan-Universität in Suwon haben die filigrane Struktur der Saugnäpfe von Tintenfischen untersucht. Sie fanden winzige Ausbuchtungen in den Saugnäpfen die den Saugeffekt verstärken. Diese Mikrostruktur bildeten die Materialforscher in einer flexiblen Kunststofffolie nach. Mit lithografischen Verfahren erzeugten sie rund 5.000 Mikronäpfchen pro Quadratzentimeter, jedes mit kleinen kuppelförmigen Ausbuchtungen.

Die Folie erzeugte in Wasser Haftkräfte von gut 40 Kilopascal. Wurde statt Wasser Silikonöl verwendet, stiegen die Haftkräfte auf bis zu 180 Kilopascal. Dafür machen die Forscher zwei Effekte verantwortlich: Zum einen entsteht beim Zusammendrücken der Saugnapffolie ein Vakuum, das die Luft verdrängt. Zum anderen verstärken Kapillarkräfte die Haftkraft, hervorgerufen durch die kuppelförmigen Ausbuchtungen in den Saugnäpfen.

Eine erste Anwendung sind neuartige Pflaster, die entzündete und nässende Wunden abdecken können. Aber auch hauchdünne Silizium-Wafer für die Produktion von Computerchips könnten mit der Saugnapffolie an der Luft, unter Wasser oder in Reaktionsbädern transportiert werden, ohne dass die Oberfläche verunreinigt wird [6, 7].

In der Serie sind bisher erschienen

Referenzen

[1] J. H. Pikul et al: „Stretchable surfaces with programmable 3D texture morphing for synthetic camouflage skins.“ SCIENC, 13 Oct 2017, Vol 358, Issue 6360, pp. 210-214, DOI: 10.1126/science.aan5627.

[2] Yu, Li, Zhang, Huang, Malyrchuk, Wang, Shi, Gao, Su, Zhang, Xu, Hanlon, Huang & Rogers. 2014. Adaptive optoelectronic camouflage systems with designs inspired by cephalopod skins. PNAS.

[3] ‘Squid skin’ metamaterials project yields vivid color display. Rice University.

[4] Biosynthetic self-healing materials for soft machines. Nature Materials.

[5] Tintenfisch inspiriertes Material heilt sekundenschnell. Max Planck Institute.

[6] „A wet-tolerant adhesive patch inspired by protuberances in suction cups of octopi“, Sangyul Baik et al.; Nature, DOI: 10.1038/nature22382.

[7] „A wet-tolerant adhesive patch inspired by protuberances in suction cups of octopi“. National Library of Medicine.

* Dr. Anna-Lena Gutberlet arbeitet als freiberufliche Autorin, unter anderem für die ELEKTRONIKPRAXIS. Hier betreut sie neben dem Schwerpunkt Elektronikfertigung aktuelle Themen aus Forschung und Wissenschaft.

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