Intelligentes Haftmaterial nach biologischem Vorbild Mikroobjekte präzise und mit Licht ferngesteuert transportieren

Haftmechanismen aus der Natur, wie Geckos und andere Tiere sie nutzen, wenn sie kopfüber an der Decke laufen, haben viele Vorteile: So sind sie beständig haftstark und das ohne Klebstoff oder Rückstände. Wie diese Mechanismen künstlich nachgebaut werden können, erforschen Kieler Wissenschaftler. Nun haben Sie ein vielversprechendes, intelligentes Haftmaterial entwickelt.

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Christian-Albrechts- Universität zu Kiel

Kiel – Einem interdisziplinären Forschungsteam aus der Materialwissenschaft, Chemie und Biologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es gelungen, ein bioinspiriertes Haftmaterial zu entwickeln, das über UV-Licht ferngesteuert werden kann. So ist es möglich, Objekte präzise im Mikrobereich zu transportieren. Die Erkenntnisse könnten interessant sein für Anwendungen in der Robotik, Industrie und Medizintechnik.

Künstliche Haftmechanismen nach Vorbildern aus der Natur

In der Natur sorgen mechanische Stimuli wie Muskelbewegungen dafür, dass Tierbeine sich an Oberflächen anhaften und wieder lösen. Die Kieler Wissenschaftler nutzen stattdessen Licht, um ihre künstlichen Haftmechanismen zu kontrollieren, die sie nach Vorbildern aus der Natur gebaut haben. „Licht hat den Vorteil, dass es sich sehr präzise einsetzen lässt. Es ist reversibel, kann also an- und ausgeschaltet werden und das in kürzester Zeit“, erläutert Emre Kizilkan aus der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik um Professor Stanislav Gorb vom Zoologischen Institut.

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Die Wissenschaftler entwickelten zunächst ein elastisches, poröses Material (LCE, Liquid crystal elastomer), das sich aufgrund seiner speziellen Molekülstruktur biegt, sobald es mit UV-Licht bestrahlt wird. Dabei fiel ihnen auf: Je poröser das Material, desto mehr biegt es sich. Das machten sich die Forschenden zu nutze. „Poröse Materialien lassen sich aufgrund ihrer Struktur sehr leicht mit anderen verbinden“, erklärt Kizilkan. „Also testeten wir, was passiert, wenn wir das elastische Material, das sehr gut auf Licht reagiert, mit einem bioinspirierten Material kombinieren, das sehr gut klebt.“

Intelligentes Haftmaterial transportiert Mikroobjekte

Das Ergebnis ist ein intelligentes, haftendes Kompositmaterial, das über Licht kontrolliert werden kann. Die Oberfläche besteht aus einer Mikrostruktur aus pilzkopfförmigen Haftelementen, wie sie sich auch an den Füßen einiger Käferarten befindet. Flache oder dreidimensionale Elemente wie kleine Objektträger oder Kugeln aus Glas haften daran an und können damit angehoben werden. Wird das Kompositmaterial mit UV-Licht bestrahlt, biegt es sich. Durch das Krümmen der Oberfläche lösen sich mehr und mehr Haftelemente vom Objekt bis es schließlich wieder abgesetzt werden kann.

„Wir konnten zeigen, dass wir mit unserem neuen Material in der Lage sind, Objekte zu transportieren. Außerdem lässt sich der Transport mit Licht sehr präzise steuern und zwar auf Mikroebene“, erklärt Kizilkan. Gorb ergänzt: „Wir nutzen das Licht quasi als Fernsteuerung. Außerdem hinterlässt unser bioinspiriertes Klebematerial keine Rückstände auf den Objekten.“ Die Entdeckung der Forschungsgruppe ist deshalb besonders interessant für den Bau von empfindlichen Sensoren oder winzig kleinen Computerchips. Sie müssen geschützt vor äußeren Einflüssen und Verunreinigungen hergestellt werden, wie zum Beispiel im Reinraum der CAU. „Langfristig würden wir das neue Material gerne nutzen, um Mikroroboter zu entwickeln, die sich durch Licht gesteuert fortbewegen und an Wänden hochklettern können“, gibt Professor Gorb einen Ausblick.

Ein Video zeigt, wie das Kompositmaterial eine Glaskugel von 1 Millimeter Durchmesser durch die Bestrahlung mit UV-Licht aufnimmt, transportiert und wieder absetzt ((c) Emre Kizilkan).

Das Forschungsprojekt ist Teil des Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ an der CAU, in dem 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Pharmazie und Medizin fächerübergreifend daran arbeiten, schaltbare molekulare Maschinen zu entwickeln, die zum Beispiel durch Licht gesteuert werden können.

Originalpublikationen:

E. Kizilkan, J. Strueben, A. Staubitz, S. N. Gorb: Bioinspired photocontrollable microstructured transport device. Science Robotics:, Sci. Robot. 2, eaak9454 (2017), DOI: 10.1126/scirobotics.aak9454.

E. Kizilkan, J. Strueben, X. Jin, C. F. Schaber, R. Adelung, A. Staubitz, S. N. Gorb: Influence of the porosity on the photoresponse of a liquid crystal elastomer. Royal Society Open Science 3, 150700 (2016). DOI:10.1098/rsos.150700

* J. Siekmann: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 24098 Kiel

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