Fuß eines Geckos an einer Glasscheibe sarayuth3390
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Die Natur als Vorbild

Der Gecko-Effekt: Wie Licht Miniroboter steuern könnte

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Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Forschern der Christian-Albrechts-Universität Kiel (CAU) ist es gelungen, ein bioinspiriertes Haftmaterial zu entwerfen. Es wird mit UV-Licht ferngesteuert und könnte Objekte im Mikrobereich transportieren.

28. März 2017

Lamellengeckos sind meisterhafte Virtuosen der trockenen Adhäsion. Dank ihrer mit Milliarden feinster Härchen (Spatulae; etwa 200 Nanometer breit und lang) besetzten Füße können diese kleinen Echsen kopfüber Glasscheiben entlang laufen. Sie haften mühelos ohne Klebstoff oder Saugnäpfe, sondern nur aufgrund der wirkendenden Van-der-Waals-Kräfte, die die trockene Adhäsion erklären.

Haften ohne zu kleben

Benannt nach dem niederländischen Physiker Johannes Diderik van der Waals sind diese Kräfte Wechselwirkungen zwischen den Atomen und Molekülen – eine Art biologischer Magnet. Theoretisch könnte ein Gecko, dessen Haare alle gleichzeitig in Kontakt mit einer Oberfläche stehen, bis zu 133 Kilogramm heben. In der Natur sorgen mechanische Stimuli wie Muskelbewegungen dafür, dass die Tierbeine an Oberflächen haften und sich wieder lösen. Die Kieler Wissenschaftler nutzen stattdessen ultraviolettes Licht, um ihren künstlichen Haftmechanismus zu kontrollieren.

„Wir kombinieren zwei intelligente Materialien“, berichtet Emre Kizilkan aus der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik vom Zoologischen Institut der CAU. Das Forscherteam verbindet dafür einen Silikon-Kunststoff aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mit einem lichtaktiven flüssig-kristallinen Elastomer. Die Oberfläche der etwa 100 Mikrometer dünnen PDMS-Schicht weist auf der Außenseite eine Mikrostruktur von pilzkopfförmigen Haftelementen auf und simuliert die Anordnung der Geckohärchen. PDMS ist ein Silikonelastomer, ähnlich dem Kunststoff wie ihn der Zahnarzt für Gebissabdrücke verwendet.

Fertig ist das Kieler Gecko-Sandwich

Auf diese durch Geckofüße inspirierte Haftschicht deponieren die Forscher eine zweite Lage aus lichtaktivem Material mit der organischen Verbindung Azobenzol als wichtigstem Bestandteil. Der Clue dabei: Mit einer bestimmten molekularen Anordnung des flüssigkristallinen Elastomer (liquid-crystalline elastomers, LCE) können die Kieler Wissenschaftler unter Zuhilfenahme von ultraviolettem Licht muskelähnliche Bewegungen mit dem Material ausführen. Biologische Muskeln können chemische Energie in mechanische Arbeit umsetzen; die „Muskelschicht“ aus Kiel benötigt Licht als Energiequelle dazu.

Auf diese zwei Schichten legen die Wissenschaftler noch eine zusätzliche schützende Lage aus Silikon-Kunststoff. Fertig ist „das Kieler Gecko-Sandwich“. Mit den filigranen Silikonsäulen haftet nun das Kompositmaterial auf glatten Flächen sowie dreidimensionalen Objekten mit gewölbten Oberflächen. Nun kommt noch Bewegung in das bis dahin statische Schichtenmodell.

Bewegung durch Lichtstrahlen

Mit ultraviolettem Licht bei einer Wellenlänge von 365 Nanometern (UV-A Schwarzlichtstrahler) bestrahlt, verformt sich die mittlere Schicht aus dem azobenzolhaltigen, flüssig-kristallinen Elastomer. Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler eine Lampe in der Größe eines Kugelschreibers und einer Intensität von 500 Watt pro Quadratzentimeter. Zum Vergleich: Die Strahlungsintensität unter wolkenlosem Himmel am Äquator um 12 Uhr mittags liegt bei etwa 0,3 Watt pro Quadratmeter.

Durch die starke UV-Strahlung krümmt sich die Silikonschicht als Reaktion auf die fließenden Azobenzol-Moleküle. Dabei lösen sich die Silikonhärchen etwas ab und die Adhäsionskräfte gehen drastisch zurück: „30 Sekunden Licht ergeben rund drei Prozent Materialdeformationen und die Adhäsionskräfte reduzieren sich um etwa ein Drittel“, sagt Kizilkan. Ohne UV-Bestrahlung nimmt das Material nach etwa fünf Sekunden wieder seine ursprüngliche Form an. Die Materialkomposition zeigt auch nach 10.000 Behandlungen bislang keine Ermüdungserscheinungen.

Transporte auf Mikroebene ohne Rückstände

„Mit unserem neuen Material sind wir in der Lage, den Transport von Objekten auf Mikroebene sehr präzise zu steuern“, erklärt Kizilkan. Außerdem hinterlässt das bioinspirierte Klebematerial keine Rückstände auf den Objekten. Versuche mit ersten Testgreifern verliefen erfolgreich. Das Kieler Team hat auf diese Weise kleine Glaskügelchen, Deckgläser für Mikroskopproben und sogar kleine Pipetten aus Plastik aufnehmen, transportieren und wieder absetzen können. Die Entdeckung der Forschungsgruppe ist deshalb beispielsweise interessant für den Bau von empfindlichen Sensoren oder winzig kleinen Computerchips.

Andere Forschergruppen konzipierten bereits ebenfalls schaltbare Haftmaterialien nach dem biologischen Abbild der äußerst fein strukturierten Geckofüße. Um diese Konstruktionen zu bewegen, mussten sie abwechselnd erhitzt und wieder gekühlt werden, oder sie benötigten eine umfangreiche elektronische Steuerung. Die Kieler Gecko-Entwicklung lässt sich mit UV-Licht viel einfacher, schneller und zuverlässiger kontrollieren. „Langfristig wollen wir das neue Material nutzen, um lichtgesteuerte Mikroroboter zu entwickeln, die ferngesteuert Wände hochklettern können“, konstatiert Kizilkan.