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Verschleiß-Schutz

Käfer mit Teflon-Effekt im Knie

Der Große Schwarzkäfer ist mit raffinierter Gelenkschmiere im Knie unterwegs. (Bild: Konstantin Nadein)

Tierisch gut geschmiert: Forscher berichten über eine Substanz in den Beingelenken von Käfern, die Tests zufolge Reibung ähnlich gut verringert wie Teflon. Neben der biologischen Bedeutung steckt in der Entdeckung möglicherweise auch technisches Potenzial: Wenn es gelingt, das Schmiermittel künstlich herzustellen, könnte es in der Robotik zum Einsatz kommen, sagen die Wissenschaftler.

Bewegungen sollten möglichst reibungslos ablaufen: In den Gelenken von Wirbeltieren wie dem Menschen sorgt Flüssigkeit dafür, dass Gliedmaßen schmerzfrei bewegt werden können und der Verschleiß dabei gering bleibt. Bei Insekten mit ihrem Außenskelett sind die Gelenke hingegen ganz anders aufgebaut: Sie sind unverkapselt und damit Umwelteinflüssen teilweise direkt ausgesetzt. Sie ähneln somit eher Elementen von Robotiksystemen. Offensichtlich sind die Gelenke der Insekten allerdings sehr leistungsfähig – die unzähligen Arten haben eine beeindruckende Bewegungsfähigkeit hervorgebracht. „Aber die Forschung weiß fast nichts darüber, wie Insektengelenke aufgebaut sind, um diese Bewegungen zu bewältigen, und aus welchen Materialien sie bestehen“, sagt Stanislav Gorb von der Universität Kiel.

Wie Insektengelenke ohne schützende Kapseln funktionieren, haben Gorb und seine Kollegen am Beispiel des etwa zwei Zentimeter großen Großen Schwarzkäfers (Zophobas morio) untersucht, der für Laborstudien leicht vermehrt werden kann. Zunächst entdeckten sie durch rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen auf den Kontaktflächen der Käfergelenke unzählige Poren, die nur ein tausendstel Millimeter groß sind. Wie sich zeigte, produzieren sie dünne Stränge einer Substanz mit einer ungewöhnlichen, wachsartigen Konsistenz. Die Absonderungen zerbrechen dabei teilweise und bilden kleine Klumpen. Die genaue Zusammensetzung bleibt zwar noch unklar, doch Untersuchungen mittels Infrarotspektroskopie konnten zumindest zeigen, dass der Stoff zum Großteil aus Proteinen besteht.

Leistungsstarke Gelenkschmiere

Um der Vermutung nachzugehen, dass es sich um ein Schmiermittel handelt, gewannen die Wissenschaftler das Material zunächst aus zahlreichen Käfergelenken. Die Ausbeute setzten sie dann für Versuche ein, bei denen sie den Stoff zwischen zwei Glasoberflächen einbrachten. Anschließend wurde erfasst, welche Reibungskräfte wirken, wenn die beiden Oberflächen gegeneinander bewegt werden. Zum Vergleich führten sie die Tests mit dem Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE) durch – besser bekannt unter dem Handelsnamen Teflon. „Unsere Experimente zeigten, dass die Gleitwirkung der Käfersubstanz der von Teflon ähnelt, was bekanntlich die beste Antireibung-Wirkung hat, die sich zurzeit künstlich herstellen lässt“, berichtet Erstautor Konstantin Nadein von der Universität Kiel.

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Wie die Forscher erklären, ist wohl die besondere Konsistenz der Substanz ausschlaggebend für ihre Funktion beim Verschleißschutz: Die feinen Klumpen, die sich aus den Strängen bilden, wirken wahrscheinlich wie ein Polster, das den direkten Kontakt zwischen den Gelenkoberflächen verhindert. Außerdem ist die Festigkeit des Schmierstoffes bei den offenliegenden Gelenken der Insekten wichtig. Denn ein flüssiges Material wie in den Gelenkkapseln von Wirbeltieren würde bei den Insekten austrocknen, erklären die Wissenschaftler.

Biologische und technische Bedeutung

Sie vermuten, dass es sich bei dem entdeckten Schmiermittel um ein generelles Funktionselement von Insektengelenken handelt. „Dafür spricht, dass wir es nun bereits in den Kniegelenken anderer Insektenarten gefunden haben, wie der Argentinischen Waldschabe, bei der keine enge Verwandtschaft zu den Käfern vorliegt“, so die Forscher. Zur Klärung der Verbreitung der Substanz im Insektenreich sind allerdings weitere Untersuchungen nötig. Außerdem wollen die Forscher nun auch der Frage nachgehen, wie Insekten ihre offenen Gelenke vor Verschmutzung schützen.

Wie sie betonen, könnte die Bedeutung der Ergebnisse über die Biologie hinaus gehen: Da Insektengelenke grundsätzlich künstlichen Mikrogelenken ähneln, könnte das leistungsstarke Käfer-Schmiermittel auch für technische Anwendungen interessant sein. In der Robotik könnte es beispielsweise zum Einsatz kommen, um Verschleiß an Gelenken zu verringern und so die Lebensdauer der Bauteile zu erhöhen. Doch auf dem Weg dahin gibt es noch ein Problem: Die Wissenschaftler müssen erst noch die Herausforderung meistern, die Substanz in größeren Mengen künstlich herzustellen. Auch für die genauere Untersuchung ihrer Merkmale wäre dies wichtig. „Es ist schwierig, die Substanz chemisch zu analysieren, weil sie sich in kaum einer Flüssigkeit auflöst. Außerdem brauchen wir dafür viel mehr Untersuchungsmaterial, das händische Sammeln ist allerdings sehr aufwendig“, sagt Nadein.

Quelle: Universität Kiel, Fachartikel: Proc. R. Soc., doi: 10.1098/rspb.2021.1065

Journal of Zoology, doi: 10.1111/jzo.12922

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