Cyborg-Quallen für die Meeresforschung - wissenschaft.de
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Cyborg-Quallen für die Meeresforschung

Künstlerische Darstellung der technisch aufgerüsteten Quallen. (Bild: Rebecca Konte / Caltech)

In den Turbogang versetzt: Forscher haben Quallen mit einer Art Schrittmacher ausgerüstet, der die natürliche Geschwindigkeit der Meerestiere fast verdreifacht. Erstaunlicherweise wird der Energieverbrauch dabei nicht übermäßig erhöht und es kommt offenbar auch zu keinen Stressreaktionen bei den Quallen. Den Wissenschaftlern zufolge scheint damit nun die Entwicklung komplexerer Quallen-Roboter-Hybriden möglich, die einmal die Ozeane auskundschaften könnten.

Mit pulsierender Eleganz gleiten sie durchs Wasser: Das Fortbewegungssystem der Quallen versuchen Wissenschaftler bereits seit einiger Zeit technisch nutzbar zu machen. Doch die Leistungen von Quallen-inspirierten Robotern kommen noch bei weitem nicht an die ihrer natürlichen Vorbilder heran. Ein wichtiges Problem ist dabei die Energieversorgung: Die Effizienz der Quallen-Fortbewegung erreichen die technischen Imitate bisher nicht und sie benötigen zudem eine Stromversorgung durch Kabel oder Batterien. Die Meerestiere können sich hingegen durch die Nahrungsaufnahme aus ihrer Umwelt kontinuierlich mit Energie versorgen und sich ungebunden fortbewegen.

Vor diesem Hintergrund entstand die Idee, das Potenzial der Meerestiere mit Technik zu verknüpfen. Die Studie von Nicole Xu und John Dabiri von der Stanford University repräsentiert nun einen Schritt auf dem Weg zur Realisierung dieser Vision. Sie haben nun zunächst ausgelotet, inwieweit sich die Schwimmgeschwindigkeit von Quallen technisch beeinflussen lässt. Die Wissenschaftler haben dazu Ohrenquallen (Aurelia aurita) mit einem etwa zwei Zentimeter großen Gerät ausgestattet, das feine elektrische Impulse abgibt. Es wird über einen winzigen Widerhaken unter dem Schirm der Tiere befestigt. Ähnlich wie ein Schrittmacher die Kontraktionen des Herzens steuert, kann dieses Gerät das Pulsieren des Quallenschirms beeinflussen, erklären die Wissenschaftler.

Energieeffiziente Turbo-Medusen

Auf diese Weise veranlassten sie ihre Versuchstiere zu einer um das Dreifache erhöhten Pulsrate. Dadurch stieg ihre Geschwindigkeit von zwei auf bis zu etwa sechs Zentimeter pro Sekunde. Wie Messungen des Sauerstoffverbrauchs der Quallen zeigten, war diese Geschwindigkeitserhöhung erstaunlich energieeffizient: Obwohl die Quallen dreimal schneller als üblich schwammen, verbrauchten sie dabei nur doppelt so viel Energie. Die Wissenschaftler betonen in diesem Zusammenhang, dass derzeitige Robotersysteme nicht einmal annähernd an die Energieeffizienz der Quallen herankommen.

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„Wir haben nun gezeigt, dass die Tiere in der Lage sind, sich sogar noch deutlich schneller als üblich zu bewegen, ohne dass ihr Stoffwechsel dabei übermäßig belastet wird“, sagt Xu. Wie der Wissenschaftler erklärt, haben die Tiere normalerweise keinen Grund für eine höhere Geschwindigkeit. Ihre Bewegungen dienen vor allem dem Einsammeln von Nahrungspartikeln im Wasser, die sie über ihre Tentakel erfassen. Dafür ist keine höhere Geschwindigkeit nötig – theoretisch ist sie aber möglich, wie aus den Ergebnissen hervorgeht.

Potenzial zeichnet sich ab

Doch ist der erzwungene Turbogang keine Tierquälerei? Die Forscher erklären dazu, dass Quallen weder ein Gehirn besitzen noch über Schmerzrezeptoren verfügen. Es wurde allerdings gezeigt, dass sie auf Beeinträchtigungen mit erhöhter Schleimabsonderung reagieren können. Die Untersuchungen der Forscher zeigten allerdings, dass dies im Rahmen ihrer Experimente nicht der Fall war. Außerdem konnten sie die Schrittmacher auch wieder problemlos von den Quallen entfernen. Den Untersuchungsergebnissen zufolge verursachte das Konzept keine Schäden an den Versuchstieren.

Bisher kann das System allerdings nur das Tempo der Quallen steuern. Doch die Wissenschaftler arbeiten bereits an Ausrüstungen, die eine Lenkung in bestimmte Richtungen sowie eine Reaktion auf Signale ermöglichen. Anwendungspotenzial des Konzepts sehen die Forscher dabei vor allem in der Erkundung der Ozeane: „Wir wollen nutzen, dass Quallen in verschiedene Meeresregionen und Tiefen vordringen können“, sagt Dabiri. „Jetzt geht es darum, sie lenkbar zu machen und mit Sensoren auszustatten, um etwa Temperaturen oder Salz- und Sauerstoffgehalte zu erfassen“. Um die Energieversorgung für den Antrieb muss man sich dann keine Gedanken machen – denn die kann die Beute liefern, die solche Cyborg-Quallen aus der Umwelt aufnehmen, betonen die Forscher abschließend.

Quelle: California Institute of Technology, Fachartikel: Science Advances, https://advances.sciencemag.org/content/6/5/eaaz3194

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