Roboterqualle im Auftrieb

Ein wenige Millimeter großes Schwimmgerät bewegt sich mit einem Magnetantrieb nach dem Vorbild von Babyquallen fort

Für miniaturisierte Unterwasserboote stehen immer wieder Meerestiere Pate. Jetzt haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme einen wenige Millimeter kleinen Schwimmkörper aus Gummi präsentiert, der wie eine Qualle aussieht und sich auch so bewegt. Die winzige Roboterqualle hat wie sein natürliches Vorbild die Form eines Sterns. Sie lässt sich mithilfe eines magnetischen Antriebs vorwärtsbewegen und kann auch kleine Teilchen einfangen. Solche winzigen Schwimmgeräte könnten etwa im Umweltschutz oder in der Medizin zum Einsatz kommen, sie könnten aber auch bei Untersuchungen helfen, wie das natürliche Vorbild mit sich verändernden Umweltbedingungen klarkommt.

Schleiertanz eines Schwimmroboters: Mit einem grünen Farbstoff machen Max-Planck-Forscher sichtbar, welche Strömungen ein quallenförmiger Roboter erzeugt, wenn er durch ein Magnetfeld wie ein Schirm auf- und zugeklappt wird. Durch den Mechanismus schwimmt die Roboterqualle wie ihr natürliches Vorbild durchs Wasser.

Quallen sind nicht nur bei Strandurlaubern unbeliebt. Auch Fischer und Meeresökologen fürchten sie, weil sie vielerorts überhandnehmen, ganze Meeresregionen leer fressen und Fischen auf diese Weise die Nahrung rauben. Ihre Verbreitung hängt dabei stark vom Überleben ihrer Jungtiere, der Ephyralarven ab. Die Überlebenschancen der Ephyralarven werden wiederum von deren Schwimm- und Raubverhalten beeinflusst. Um das auch unter sich wandelnden Umweltbedingungen zu untersuchen, könnten Biologen künftig ein Roboter-Modell der Babyquallen nutzen. Denn Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart haben nach dem Vorbild der Weichtiere einen etwa fünf Millimeter kleinen Schwimmkörper konstruiert.

„Wir lernen von einer Reihe von biologischen Systemen und lassen uns von diesen inspirieren, um winzige bioinspirierte Roboter zu entwickeln“, sagt Metin Sitti, Direktor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. „Wir verwenden sie, um biologische Systeme zu studieren und besser zu verstehen. Aber noch wichtiger ist, dass solche Roboter eines Tages vielleicht helfen können, die kritischen wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen im Gesundheitswesen und in der Umwelt zu bewältigen."

Die Roboterqualle lässt sich wie ein Schirm auf- und zuklappen

Der Roboter besteht aus einem sternförmigen Silikon-Gummi, der mit magnetischen Partikeln gespickt ist. Fortsätze aus nicht-magnetischem Kunststoff verlängern die Strahlen des Gummi-Sterns. Indem die Forscher ein Magnetfeld wechselnder Richtung und Stärke an ein Aquarium mit der Roboterqualle anlegen, klappen sie den Gummistern wie einen Schirm auf und zu und bewegen den Millischwimmer vorwärts. Wie die natürlichen Vorbilder kann auch die Roboterqualle mit ihrem sich schließenden Körper Teilchen, die im Wasser schweben, einfangen. Sie kann sich aber zusätzlich zu den Bewegungen der natürlichen Quallen auch auf leicht abgewandelte Weise öffnen und schließen. So kann sie einen Teil der Bewegung schneller ausführen, sich insgesamt langsamer öffnen und schließen oder eine Extra-Gleitphase einlegen.

Bauplan nach natürlichem Muster: Für die Konstruktion eine neuartigen Schwimmroboters machten Stuttgarter Max-Planck-Forscher Anleihen bei der jungen Form einer Schirmqualle (Scyphomedusae ephyra, links). Die Roboterqualle besteht aus einem sternförmigen magnetischen Gummi (Mitte, braun). Jeder Lappen des magnetischen Gummis wird durch zwei nicht-magnetische Kunststoff-Stücke verlängert (grau), die untereinander und mit dem zentralen Gummi über Gelenke verbunden sind. Im Mittelpunkt der Roboterqualle platzieren die Forscher mithilfe einer Pipette eine Luftblase (grünlich), um die Dichte des Millischwimmers zu reduzieren. Ein Foto (rechts) zeigt, wie die Roboterqualle in der Realität aussieht.

Die zusätzlichen Funktionen sind auch für Experimente zum Verhalten von Babyquallen im Meer hilfreich. Dabei bietet die Roboternachbildung einen großen Vorteil „Es ist viel einfacher, die Schwimmfähigkeit unseres Roboters aufzuzeichnen und zu messen als die der Qualle", sagt Ziyu Ren, der an der Entwicklung des Millischwimmers beteiligt war. „Die Bewegungsdaten sind sauberer und wir können Fragen stellen, wie zum Beispiel was mit der Flüssigkeit um sie herum passiert, wenn die Qualle anders schwimmt." So könnten Experimente mit den Roboterquallen simulieren, was passiert, wenn sich etwa durch eine Erwärmung oder die Versauerung der Meere, aber auch durch Schadstoffe die Umweltbedingungen für Quallen wandeln. Solche Veränderungen könnten das Schwimm- und Raubverhalten der Quallen beeinflussen, was sich wiederum auf die entsprechenden Ökosysteme auswirken würde.

Ein Modell, um die Durchmischung der Meere zu studieren

„Wir können den kleinen Roboter benutzen, um wichtige Umweltfragen zu untersuchen“, sagt Metin Sitti. „Die Qualle spielt eine wichtige Rolle im Ökosystem des Ozeans.“ Auch deshalb, weil die Meerestiere das Wasser aufwirbeln und Strömungen erzeugen. Veränderungen im Schwimmverhalten der Tiere könnten sich daher auch auf ihre Fähigkeit auswirken, das Meereswasser zu durchmischen. „Das Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Bewegung des Roboters und dem entstehenden Fluidstrom kann uns helfen, mögliche Einflüsse des Klimawandels auf die Durchmischung des Wassers zu bewerten“, sagt Metin Sitti.

Über die Beantwortung von Umweltfragen hinaus könnte die Roboterqualle auch andere praktische Anwendung finden. So kann der Millischwimmer nicht nur Objekte einfangen und transportieren, sondern auch verschieden Flüssigkeiten oder Chemikalien in ein Lösungsmittel mischen oder gar im Boden eines Gewässers graben.

Zudem gibt es für den Miniaturschwimmroboter eventuell auch Einsatzmöglichkeiten in der Medizin. Ein mögliches Anwendungsszenario ist etwa, den Roboter mithilfe von Ultraschall-Bildgebung so zu steuern, dass er in die Blase schwimmt und sich dort mit einem Ziel, zum Beispiel Krebsgewebe, verbindet. Dort könnte er dann über längere Zeit ein Krebsmedikament in kontrollierten Dosen freisetzen. So ließen sich die Belastungen durch herkömmliche Behandlungsverfahren vermeiden oder zumindest reduzieren, gleichzeitig würde die Behandlung effizienter.

LB/PH

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