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Bionik: Muskelzellen treiben Roboter-Rochen an

Rochen gleiten nicht nur elegant, sondern auch äußerst energieeffizient durchs Wasser. Das macht sie für Bioniker interessant. Nach dem Vorbild der Tiere haben Wissenschaftler um Kevin Kit Parker von der Harvard University einen etwa 16 Millimeter großen Softroboter konstruiert. Er bewegt sich mit wellenförmigen Flossenbewegungen vorwärts und wird mit ­Lichtsignalen gesteuert. Als ­Antriebseinheit dient ein Gewebe aus genetisch veränderten Herzmuskelzellen.

Der künstliche Rochen besteht aus vier Lagen eines weichen, transparenten Kunststoffs. Ein elastisches Skelett aus feinen Golddrähten verstärkt das Gebilde. Auf die unterste Kunststoffschicht brachten die Forscher etwa 200 000 Ratten-Herzmuskelzellen in einem serpentinenartigen Muster auf. Die Zellen waren zuvor mittels Einschleusen eines Algengens so verändert ­worden, dass sie sich auf Lichtsignale hin zusammenziehen. Richtet man eine Leuchtdiode auf das Kopf­ende des Softroboters, kommt eine Aktivierungswelle in Gang, und die Kontraktionen der Herzmuskelzellen bewegen die Rochenflossen wellenförmig nach unten. Die anschließende Aufwärtsbewegung erfolgt passiv auf Grund der Elastizität des Skeletts.

Eine koordinierte Schwimmbewegung ist durch räumlich und zeitlich abgestimmte Aktivierung der Muskelzellen er­reichbar. Werden etwa linke und rechte Flosse separat angesteuert, lässt sich der künstliche Rochen um Hindernisse herumlenken. Seine Geschwindigkeit hängt dabei von der Frequenz der Licht­impulse ab. Im Vergleich zu echten Rochen wirkten die Schwimmbewegungen des Softroboters etwas ungelenk, seien aber fast ebenso effizient, berichten die Forscher. Ein Nachteil ist, dass der Cyborg-Rochen wegen seines Antriebs aus lebenden Zellen nur in physiologischer, temperierter Kochsalz-Glukose-Lösung funktioniert.

September 2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft September 2016

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  • Quelle

Park, S.-J. et al.: Phototactic Guidance of a Tissue-Engineered Soft-Robotic Ray. In: Science 353, S. 158 – 162, 2016