Kaktus Panorama

Künstliche Kakteen und synthetische Muskeln

Die Natur dient der Wissenschaft als Vorbild. Die Biomaterialforschung in Teltow lässt sich von Kakteen und Kletterpflanzen des Regenwaldes zu selbstständig bewegenden und wachsenden Polymer-Materialien inspirieren. Diese Kunststoffe sollen später als künstliche Muskeln in sogenannten Soft-Robotern eingesetzt werden, die aus weichen Materialien bestehen.

360° Wissenschaft: Künstliche Muskeln - Kletterpflanzen als Vorbild

Hinweis für das Betriebssystem iOS: Für ein freies Umsehen nutzen Sie bitte den folgenden Link zum Video auf Youtube: https://youtu.be/O0CZTYzIQ9M

Die Innovationen von morgen verstecken sich in jahrtausendealten Regenwäldern. Aufbau und Verhalten der Pflanzen in ihrer natürlichen Umgebung dienen der Wissenschaft als Vorbild, insbesondere beim Design von nachhaltigen Materialien. So haben tropische Kletterpflanzen einzigartige Funktionen, die für ganz besondere Technologien genutzt werden können.

Eine dieser Pflanzen erklärt uns der Forscher Nicholas Rowe vom CNRS in Frankreich. Das äußere Ende des Ausläufers ist sehr empfindlich und flexibel, um sich aktiv und in Abhängigkeit von äußeren Umständen um Halt-gebende Baumäste zu winden.

In Teltow forschen Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Geesthacht an künstlichen Materialien, die diese Fähigkeiten zum Vorbild haben. Im Experiment zeigt uns Andreas Lendlein ein Material, das sich bei Erwärmung in Wasser korkenzieherartig zusammenzieht. Im kälteren Wasser springt es zurück in seinen ursprünglichen Zustand. Materialien wie diese könnten zukünftig als künstliche Muskeln bei weichen Robotern eingesetzt werden, die aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften im Kontakt mit Menschen eingesetzt werden könnten. Die Geometrie der Muskelbewegung und die Schalttemperaturen des Materials können die Biomaterialforscher übrigens programmieren.

Die künstlichen Muskeln, die in Teltow nach dem Vorbild der Natur geschaffen werden, sind Teil des internationalen GrowBot-Projekts. Die weichen Roboter, an denen Wissenschaftler aus ganz Europa forschen, könnten zukünftig beispielsweise im Bereich der Gesundheitstechnologie, der Landwirtschaft oder der Raumfahrt eingesetzt werden.

Video: Interview mit Andreas Lendlein und Nicholas Rowe

Transkript des Videos

Muskeln für die Softroboter

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Wissenschaftler Anil Bastola untersucht Probe eines speziellen Kaktus aus Südamerika. Nach seinem Vorbild werden künstliche Muskeln für Softroboter hergestellt. Foto: HZG/ Gesine Born

Neuartige Kunststoffe reagieren auf Signale wie Temperatur oder Magnetfeld und bewegen sich entsprechend. Solche Materialien sind reprogrammierbar, ihnen können unterschiedliche Bewegungsabläufe antrainiert werden.
Von Lars Klaaßen

In einer Gesellschaft, die zunehmend von Dienstleistung geprägt ist, in der immer mehr alte Menschen im Alltag und im medizinischen Bereich auf Unterstützung angewiesen sind, werden künstliche Assistenten an Bedeutung gewinnen, sogenannte Softroboter. Weiche und empfindsame Materialien ermöglichen es, dass solche Assistenten sich der Umwelt besser anpassen und gefahrlos mit Menschen zusammenarbeiten können. Vorbilder sind dabei unter anderem Schlingpflanzen, die ihre Umgebung ertasten und darauf reagieren sowie südamerikanische Kakteen, die sich fortbewegen können.

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Die tendrillenartigen Pflanzen wachsen und suchen, bis sie einen Halt finden. Dadurch können sie sich bewegen und Distanzen überwinden. Foto: HZG/ Steffen Niemann

„Um Materialien für bestimmte Einsätze zu ertüchtigen, programmieren wir sie“, erläutert Marc Behl, Leiter der Abteilung Aktive Polymere. „Diese Fähigkeit verleihen wir ihnen durch das Zusammenwirken von Prozessen auf molekularer und morphologischer Ebene.“ Den Effekt, dass ein Material unter bestimmten Umständen seine Form ändert, kennen wir von hitzeempfindlichen Schrumpffolien oder -schläuchen: Werden diese mit dem Fön erhitzt, können beispielsweise Koffer fest verpackt werden. Ein Manko: Rückgängig lässt sich diese Schrumpfung bislang nicht machen.

„Ein wesentlicher Fortschritt ist uns vor wenigen Jahren gelungen, indem wir weiche Aktuatoren mit einem Formgedächtnis geschaffen haben, die sich dann auch wieder zurückbewegen“, betont Andreas Lendlein, Leiter des Forscherteams. „Kontrolliert werden die Plastikstränge oder Fäden, die sich drehen oder knicken, je nach Bedarf durch unterschiedliche Signale wie Temperatur oder Magnetfeld.“ Darüber hinaus lassen sich solche Bewegungsabläufe völlig kontrolliert in einzelnen Schritten vollziehen, mit Pausen von gewünschter Länge, in denen das Material stillsteht.

Aus solchen Aktuator-Materialien ließen sich künftig Erntehelfer bauen, die sich von Baum zu Baum hangeln oder Pflegeassistenten, die Menschen umbetten. Um künstliche Muskeln für Roboter zu entwickeln, kooperieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Teltow nun mit Expertinnen und Experten für Soft Robotics.

Impressionen aus der Forschung:

Wissenschaftler hält Probe eines Kaktus hoch

Biomaterialforscher Andraz Resetic untersucht die Probe eines speziellen Kaktus aus Südamerika. Nach seinem Vorbild werden künstliche Muskeln für Softroboter hergestellt. Foto: HZG/Steffen Niemann

Pflanze

Die Triebe der Pflanzen wachsen und suchen, bis sie einen Halt finden. Dadurch können sie Distanzen überwinden. Foto: HZG/Steffen Niemann

Kaktus

Die Art Selenicereus setaceus gehört zu den Kakteengewächsen. Foto: CNRS/Nicholas Rowe

Kaktus

Die dreikantigen Triebe und ihr Wachstum ist spannend für die Biomaterialforschung. Foto: CNRS/Nicholas Rowe

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Von links nach rechts: Nicholas Rowe (CNRS), Andreas Lendlein, Marc Behl und Anil Bastola (alle HZG) arbeiten gemeinsam im EU-Projekt GrowBot. Foto: HZG/Steffen Niemann

EU-Projekt GrowBot