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Algenbetriebener Roboterarm greift und hebt kleine Objekte mit Licht
Greifen durch Photosynthese: Forscher haben eine weiche, mit lebenden Algen besiedelte Kunststoffstruktur entwickelt, die sich im Licht krümmt und im Dunkeln wieder zurückbiegt. Im Labor hob der kleine Greifer bereits eine Metallkugel und einen Gummiring an. Der Antrieb benötigt keine eingebauten Motoren, braucht für größere Bewegungen allerdings mehrere Stunden.
Delft (Niederlande). Roboterarme bestehen gewöhnlich aus starren Bauteilen und werden durch elektrische oder hydraulische Antriebe bewegt. Für empfindliche Gegenstände kann das zum Problem werden. Weiche Roboter aus nachgiebigen Polymeren sollen deshalb Bewegungen ermöglichen, die eher an Muskeln als an Maschinen erinnern.
Eine Möglichkeit bieten biohybride Materialien, bei denen lebende Zellen mit künstlichen Strukturen zusammenarbeiten. Doch viele bisherige Ansätze benötigen aufwendige Steuerungen oder verlieren bei wiederholter Bewegung an Leistungsfähigkeit. Könnten Mikroorganismen stattdessen selbst als Antrieb dienen?
Forscher der Delft University of Technology (TU Delft) um Prof. Marie-Eve Aubin-Tam haben nun einen solchen lichtgesteuerten Antrieb entwickelt. Sie kombinierten die Stoffwechselaktivität einer einzelligen Grünalge mit einem Kunststoff, der sich je nach Säuregrad ausdehnt oder zusammenzieht.
Der Versuchsstreifen ist rund zwei Zentimeter lang, fünf Millimeter breit und einen Millimeter dick. Er besteht aus zwei miteinander verbundenen Hydrogel-Schichten, also wasserreichen Kunststoffen. Während eine Schicht auf Änderungen des pH-Werts reagiert, bleibt die andere weitgehend unverändert.
Auf dem Material ließen die Wissenschaftler die Süßwasseralge Chlamydomonas reinhardtii sieben Tage lang wachsen. Dabei bildeten die lebenden Zellen einen dünnen Belag, einen sogenannten Biofilm. Dieser wirkt wie ein biologisches Steuerungssystem für das Gel.
Bei Beleuchtung betreiben die Algen Photosynthese und nehmen Nitrat als Stickstoffquelle auf. Beides lässt den pH-Wert unmittelbar an den Zellen steigen. Dadurch nimmt die empfindliche Hydrogelschicht mehr Wasser auf und dehnt sich aus, während die andere ihre Form weitgehend behält: Der gesamte Streifen krümmt sich.
Im Dunkeln setzt die Zellatmung Kohlendioxid frei, wodurch der lokale pH-Wert wieder sinkt. Die zuvor aufgequollene Schicht schrumpft und die Biegung kehrt sich um. Der pH-Wert der umgebenden Flüssigkeit schwankte dabei nur zwischen etwa 8,3 und 9,2. Im Gel selbst waren die Veränderungen deutlich größer.
Die Forscher beobachteten den Beginn einer Bewegung etwa 20 Sekunden nach dem Einschalten des Lichts. Beim Wechsel in die Dunkelheit reagierte der Streifen bereits nach rund zehn Sekunden. Bis zu einer starken Krümmung vergingen allerdings Stunden.
Auch die Wiederholbarkeit war bemerkenswert: In zehn aufeinanderfolgenden Hell-Dunkel-Zyklen blieb der gesamte Biegebereich mit rund 300 Grad annähernd konstant. Selbst nach 60 Tagen wiederholten Betriebs reagierte der Algenantrieb noch auf Beleuchtung. Vergleichsproben ohne lebende, stoffwechselaktive Algen zeigten dagegen keine entsprechende lichtgesteuerte Biegung.