Technik mit Lebenszeichen

Solche Merkmale erschließen völlig neue Anwendungen. „Gebäude können Anstriche bekommen, die ihre Farbe wechseln, um die Menschen vor Luftverschmutzung zu warnen“, meint der Londoner Wissenschaftler. Häuser könnten je nach Temperatur ihre Farbe von hell nach dunkel wechseln, um das Gebäudeinnere entweder kühl oder warm zu halten. „So ließen sich bis zu 15 Prozent an Heizkosten sparen“, schätzt Miodownik. Um zu solchen Materialien zu gelangen, braucht es interdisziplinäre Kooperation: Die Projekte verknüpfen die Entwicklung intelligenter Materialien, selbstheilender Bio-Komposite, molekularer Maschinen mit Forschung zu Nanorobotik, Architektur, Mikroelektronik und medizinischer Gewebetechnologie.

Die Werkstoffe der Natur versorgen sich selbst aus ihrer Umgebung, etwa mit Energie. Sie passen sich der Umwelt an, reparieren sich selbst. Und wenn das einmal nicht mehr klappt, die Lebewesen also sterben, dann entsorgen sie sich selbst. Auch künstlich belebte Materialien sollen aktiv, adaptiv und autonom agieren. Wie Lebewesen sollen sie ihren Energiebedarf aus der Umgebung decken, automatisch lernen, sich selbst reparieren und dadurch länger leben. Obwohl sie künstlich produziert sind, sollen sie sich an ihre Umgebung anpassen und vielleicht sogar wachsen können. Viele Materialien haben bereits teilweise solche Qualitäten: selbstheilender Straßenasphalt, Beton, oder bestimmte anpassungsfähige Bioimplantate. Doch nun geht es um etwas völlig Neues: die Entwicklung konsequent „funktionsintegrierter und nachhaltiger Werkstoffe“.

Zuschnappen in 30 Millisekunden

Allerding: Bei der künstlichen Version der Venusfliegenfalle suchen die Freiburger Forscher nicht nach einem simplen Imitat, sondern nach technisch eigenständigen Lösungen, die vielleicht noch besser sind als das biologische Vorbild. So übertrifft die im Team um Thomas Speck und livMatS-Projektleiter Falk Tauber entwickelte Kunst-Venusfliegenfalle das biologische Vorbild. Als Aktuator für den Schnappmechanismus haben die Forscher vieles getestet: von pneumatisch, hydraulisch, magnetisch bis zu Formgedächtnislegierungen. Dabei stellten sie fest: „Am schnellsten geht das Zuschnappen mit einem pneumatischen Aktuator.“ Bei der Pflanze dauert der Schnappvorgang ungefähr 0,1 Sekunden, bei der künstlichen Fliegenfalle nur 30 Millisekunden. „Dadurch schließt und öffnet sich unser Demonstrator schneller als beim biologischen Vorbild.“

Künftig will Thomas Speck die Technik der künstlichen Fliegenfalle unter anderem als Greifer-Füßchen für raupenförmige Roboter nutzen. „Die können sich damit können überall festkrallen“, sagt der Forscher. Und das schafft ein weitreichendes Potenzial von Anwendungen – zum Beispiel bei der Wartung oder Reinigung von Rohrleitungen an unzugänglichen Stellen.

Ein Fall fürs Weltall

Nach Plänen von Raumfahrtorganisationen wie der ESA sollen künstliche Schnapper und Greifer künftig eingesetzt werden, um im erdnahen Weltall Satelliten zu packen. So ließen sich ausgediente Raumflugkörper aus der Umlaufbahn beseitigen, bevor sie zu gefährlichem Weltraummüll werden. „Die bisherig verfügbaren Roboterhände können ihren Griff nicht optimal an das zu greifende Objekt anpassen“, sagt Speck. Sie seien zwar biegsam und sensibel – gewöhnlich zerbrechen sie nicht einmal ein rohes Hühnerei. Aber die weichen Kunststofffinger schaffen es nicht, ihr Objekt mit dem idealen Druck zu packen.

Speck nutzt seine künstlichen Venusfliegenfallen und andere bioinspirierte Greifer, um feste Polymere so zu gestalten, dass sie die Steifheit ihres Zugriffs präzise dem gegriffenen Objekt anpassen können. Das gelingt mithilfe weicher Elastomere, die von feinen Kanälen durchzogen sind. Diese werden mit flüssigen Metallverbindungen gefüllt, wie man sie auch als Lötzinn kennt. Dann braucht es nur noch spezielle, elektrisch aktivierbare Sensorhaare, die das Objekt erkennen, das die Roboterhand mit optimalem Kraftschluss greifen soll. „Diese Kombination wird eine neue Generation autonomer Greifer ermöglichen – auch fürs Weltall“, ist der Biologe überzeugt.

Im Rahmen von „livMatS“ haben Thomas Speck und sein Team einige Demonstratoren entwickelt: Beispielobjekte, die als Prototypen zeigen, wozu belebte Werkstoffe bereits in der Lage sind. Dafür liefern vor allem Pflanzen gute Vorbilder. „Sie haben kein zentrales Nervensystem und keine zentrale Steuereinheit“, sagt der Forscher.“ Alles, was bei Pflanzen abläuft, funktioniert dezentral.“ Dieser Ansatz gehe weit über die Biologie hinaus. „Wenn wir die Stärke synthetischer Materialien nutzen, sind Anwendungen denkbar, bei denen natürliche Systeme versagen würden – etwa bei extremer Hitze oder Trockenheit.“ Bausteine für solche komplexen Gebilde liefern künstliche, aufblasbare Muskeln, die in bioinspirierten Robotern bereits als mechanische Schaltelemente agierten. 2018 entwickelten Forscher der Harvard University in den USA damit den „Octobot“: einen weichen, autonom agierenden robotischen Achtfüßler.

Intelligente Büroklammern

Neuartige Werkstoffe beschleunigen solche Entwicklungen – zum Beispiel flüssige Kristallelastomere, die als kleine Schalter dienen, oder Formgedächtnismetalllegierungen. Ein Klassiker ist die Büroklammer aus Nickel und Titan, die sich vollständig durchbiegen lässt. Taucht man das Utensil in warmes Wasser, schnurrt sie rasch wieder in ihre Ursprungsform zurück. Bei dieser Klammer gibt es also zwei Zustände, zwischen denen man hin und her schalten kann. Das sieht zwar clever aus, doch letztlich bleibt die Büroklammer eine Büroklammer mit zwei Konfigurationen, sie lernt nichts dazu. Die neuen, belebten Materialien hingegen sollen dazulernen können – und ein eigenes Gedächtnis entwickeln. Eine intelligentere Büroklammer würden damit bemerken, dass an manchen Stellen besondere Belastungen auftreten – und der Draht dort deshalb verstärkt werden muss.

Lebensähnliche Werkstoffe reichen damit deutlich über bereits bekannte „smarte“ Materialien hinaus. Ein solches Material reagiert auf einen Reiz mit genau einer Antwort. Doch künftig sollen sich Materialien zwischen mehreren Möglichkeiten einer Reaktion entscheiden können.

So hat der Freiburger Biologe gemeinsam mit Architekten der Universität Stuttgart flexible Abschattungssysteme für Gebäude entwickelt. Die „Flectofolds“ bilden elegante, segelartige Vierecke und lassen sich – eingebettet in große Rahmen – vor Glasfassaden montiert. Wie sich die flexiblen Vierecke bewegen, wurde von einer nahen Verwandten der Venusfliegenfalle inspiriert: der Wasserfalle. Sie gehört ebenfalls zu den fleischfressenden Pflanzen, agiert aber unter Wasser und fängt ihre Beute mit muschelförmigen Fangblättern, die über einen „kontinuierlichen Fallenverschluss“ verfügen. Auch die daran orientierten Flectofold-Elemente können zahlreiche Zwischenzustände einnehmen. So bieten sie bei jedem Sonnenstand Schutz gegen das blendende Licht.

Risse schließen sich von selbst

Eine besonders große Lebensähnlichkeit haben Materialien, die sich um sich selbst kümmern und ihre Lebensdauer verlängern. Selbstheilung ist der Heilige Gral, um mit Schäden umzugehen, meinen nicht nur die Freiburger Forscher. Auch ihre britischen Kollegen im Projekt „Belebte Materialien“ sehen darin die vorderste Front der Entwicklung. Adaptive Selbstheilung existiert in Ansätzen seit Jahrtausenden. Schon die Erbauer der altägyptischen Pyramiden benutzten Kalkmörtel, der kleine Risse selbst heilt. Sobald Wasser eindringt, wachsen neue Kristalle, die mit dem Kohlendioxid in der Luft reagieren und auf diese Weise die Spalten schließen.

Effizienter heilt sich Beton inzwischen mithilfe der Biotechnologie. Da werden, wie in den Niederlanden getestet, in den Mörtel Bakteriensporen eingebettet, die bei Feuchte Kalziumkarbonat ausscheiden. Bis zu ihrem „Einsatz“ verharren sie in einer Art Dämmerzustand. Sobald Risse auftreten und Wasser eindringt, dann keimen die Sporen. Die Bakterien zerlegen die Nährstoffe und füllen die Risse mit Kalzit. Der Nachteil: Die Selbstreparaturkapseln können nur einmal heilen, sind sie verbraucht, verwittert der Beton ungebremst weiter. Für Komposite, die mehrfach heilen sollen, experimentieren die Forscher derzeit mit winzigen Kanälen, die den Stoff wie Adern durchziehen.

Bei Pflanzen und Tieren geht es bei der Reparatur anfangs gar nicht darum, sich selbst zu heilen. Zunächst sorgen sie nur für eine Selbstversiegelung, hauptsächlich um kein Wasser oder Blut zu verlieren. Generell gilt: Bei allen biologischen und technischen Selbstreparatursystemen gibt es immer zwei Phasen. Die erste ist die Schließung der Wunde. Das geht schnell und schützt gegen eindringende Bakterien und Pilze. Viel später erst startet der Organismus die eigentliche Reparatur: Neue Zellen wachsen, Narbengewebe wird gebildet und wieder abgebaut – oft über Monate. Mit der sofortigen Selbstversiegelung kauft sich der Organismus Zeit für die Heilung.

Gummibäume besitzen dafür Elastomere. Latexsaft tritt aus und gerinnt innerhalb einer Viertelstunde – die Selbstversiegelung. Danach erst beginnt die Pflanze mit der Behebung des Schadens. In dem weißen Milchsaft sind Latexpartikel eingebettet, die sich mit Proteinen vernetzen können. Diese Proteine sind im normalen Latex in kleinen membranösen Kugeln gespeichert, in denen der gesamte Latexsaft unter Überdruck steht. Wird die Pflanze verletzt, sinkt der Druck, die Kugeln platzen, setzen die Proteine frei und koagulieren den Latex.

„Wir nutzen solche Kügelchen als selbstreparierende Zusätze in Gummi“, sagt Thomas Speck. In nanometerkleine Kugeln, die ohne äußere Hülle im Gummi vorliegen, wird eine Reparatursubstanz unter einem bestimmten Druck gespeichert. Öffnen sich Risse, sinkt der Druck, die Substanz tritt aus und versiegelt die Bruchstellen. Wie in der Natur verhindert das zwar keine Mikrorisse, doch es hält sie so klein, dass sie kein Problem für die Stabilität des Materials darstellen: effektive Schadensbegrenzung nach Pflanzenart. Von bösen Pflanzen mag da sicher niemand mehr reden.