Biomimetik: Finger aus Hydrogel biegt sich durch Licht

US-Wissenschaftler haben einen Aktor entwickelt, der durch Licht gesteuert wird. Als Inspiration diente ein Phänomen aus der Pflanzenwelt.

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Hydrogelaktor: unterschiedlich poröse Seiten
Hydrogelaktor: unterschiedlich poröse Seiten (Bild: UC Berkeley/Screenshot: Golem.de)

Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in Berkeley haben ein elastisches Hydrogel entwickelt, das unter dem Einfluss von Licht seine Form verändert. Aus dem Material könnten beispielsweise sogenannte Soft Robots gebaut werden.

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Soft Robots sind Roboter, die aus weichen Materialien bestehen. Vorbild sind Weichtiere wie Würmer oder Tintenfische. Angetrieben werden sie pneumatisch oder wie der Meshworm durch ein Material mit einem Formgedächtnis, das unter bestimmten Bedingungen seine Form ändert und dann wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt.

Hydrogel Actuator (Hydrogelaktor, HA) nennen die Berkeley-Forscher um Seung-Wuk Lee ihre Entwicklung. Ein HA besteht aus einem Hydrogel aus einem Protein, das dem Strukturprotein Elastin ähnelt und mit Lagen aus Graphen versetzt wird. Graphen ist ein einlagiger Kohlenstoff, der Wärme abgibt, wenn er mit Infrarotlicht bestrahlt wird.

Unterschiedlich porös

Das machen sich die Entwickler für ihren HA zunutze: Wenn sich das synthetische Elastin erwärmt, gibt es Wasser ab und schrumpft. Kühlt es ab, nimmt es Wasser auf und kehrt in die alte Form zurück. Die Forscher modifizierten das Gel so, dass es auf einer Seite poröser ist als auf den anderen, also Wasser besser aufnehmen und abgeben kann. Deshalb biegt sich der Aktor, wenn er angestrahlt wird.

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Der Aktor biete "schnelle und steuerbare Bewegungen, die durch die Position, Intensität und Bahn des Lichts kontrolliert werden", schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Nano Letters. Sie haben zur Demonstration eine Hand aus dem Hydrogel gebaut, die ihre Finger biegt, wenn sie angestrahlt werden. Mit einem HA sollen sich aber auch andere Bewegungen umsetzen lassen, wie etwa Kriechen.

Inspiration Pflanze

Als Inspiration diente den Forschern die Natur, genauer das Phänomen des Fototropismus. Das sind Pflanzenbewegungen, die durch Licht ausgelöst werden. "Durch Kombination dieser Materialien konnten wir die Art und Weise, wie sich Pflanzenzellen unter dem Einfluss von Licht ausdehnen oder zusammenziehen, auf eine sehr kontrollierte Weise nachahmen", sagt Lee.

Das synthetische Elastin wurde aus genetisch manipulierten Bakterien gewonnen. Der Biotechniker Lee hat im vergangenen Jahr aus M13-Viren einen piezoelektrischen Generator entwickelt, der Strom erzeugt, wenn die Viren zusammengedrückt werden.

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