Ob in der Dunkelheit einer Erdhöhle, im aufgewirbelten Wasser eines Fjords oder beim schnellen Sprint durch dichtes Unterholz – viele Tiere verlassen sich unterwegs auf ein Sinnesorgan, das oft übersehen wird: ihre Tasthaare. Diese hochsensiblen Fühler sind für Katzen ebenso unverzichtbar wie für Seehunde, Ratten oder Mäuse. Sie liefern ihren Trägern präzise Informationen darüber, wo sich ein Objekt befindet, wie es sich anfühlt und in welche Richtung eine Berührung wirkt. Zwar folgen all diese als Vibrissen bezeichneten Sinnesorgane demselben Grundprinzip, doch im Detail sind sie verblüffend vielfältig aufgebaut, je nach Lebensraum, Jagdstrategie oder Sozialverhalten. Das macht sie nicht nur für Biologen zu interessanten Forschungsobjekten, sondern auch zu spannenden Vorbildern für neuartige Sensorsysteme in der Robotik. 

Ein interdisziplinäres Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, kurz MPI-IS, der Humboldt-Universität zu Berlin und der Universität Stuttgart hat sich nun ein ganz besonders außergewöhnliches Tastorgan vorgenommen: den Rüssel von Asiatischen Elefanten (Elephas maximus). Die Dickhäuter werden nicht ohne Grund sanfte Riesen genannt. Trotz ihres Gewichts und ihrer Kraft interagieren sie erstaunlich feinfühlig mit ihrer Umgebung. Und obwohl ihre Rüssel auf den ersten Blick rau und plump aussehen, sind die fleischig-muskulösen Schläuche extrem empfindlich. Elefanten können einander damit liebkosen und sogar winzige Objekte wie Erdnüsse aufheben. Zwar war bereits bekannt, dass die enorme Empfindlichkeit von speziellen Tasthaaren ermöglicht wird, die sich auf dem gesamten Rüssel befinden. Doch wie das genau funktioniert, wie die Haare beschaffen sind und inwiefern sie sich von den Schnurrhaaren anderer Säugetiere unterscheiden, war noch völlig unklar. 

Die Wissenschaftler um die beiden Maschinenbauingenieure Andrew Schulz und Katherine Kuchenbecker vom MPI-IS fanden mithilfe fortschrittlicher Mikroskopiemethoden heraus, dass die Tasthaare auf dem Elefantenrüssel sogar in mehrfacher Hinsicht ungewöhnlich sind. Die Kombination aus einer abgeflachten, ovalen Form, einer sehr harten, porösen Basis und einer weichen, fast gummiartigen Spitze sei nach derzeitigem Kenntnisstand einzigartig im Tierreich, stellen sie fest. Das verleihe den Elefantentasthaaren eine Art physische Intelligenz. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler im Fachmagazin »Science« veröffentlicht.

Tasthaare haben elliptische Form

Sie rekonstruierten für die Rüsselhaare erstmals im Detail, wie Form, innere Struktur und Steifigkeit zusammenwirken und welche Vorteile sich aus dieser besonderen Konstruktion für die mehrere Hundert Kilogramm schweren Tiere ergeben. »Am meisten überrascht hat mich die elliptische Form der Tasthaare«, sagt Katherine Kuchenbecker, Direktorin der Abteilung für Haptische Intelligenz am MPI-IS, gegenüber »Spektrum«. Von Katzen, Mäusen und Ratten seien bislang nur runde Querschnitte bekannt. Während viele Säugetiere ihre Schnurrhaare außerdem aktiv hin‑ und herbewegen können, um ihre Umwelt abzutasten, sitzen die Haare der Dickhäuter fest in der Rüsselhaut. 

Andrew Schulz hebt überdies hervor, dass sie einen von Hohlräumen durchzogenen inneren Aufbau haben, der dem von Schafshörnern oder Pferdehufen ähnelt. Möglicherweise verhinderten die spezielle poröse Struktur sowie die ovale Geometrie, dass die Tasthaare der Elefanten allzu leicht beschädigt werden oder ausfallen. Die Vibrissen der Elefanten wachsen nämlich, anders als zum Beispiel bei Nagetieren, Hunden und Katzen, nicht nach.

Um den außergewöhnlichen Aufbau der Elefantenhaare zu entschlüsseln, kombinierte das Team eine ganze Palette moderner Analysemethoden. Zunächst untersuchte es einzelne Tasthaare mit hochauflösender Mikroskopie, um Form, Oberfläche und innere Struktur sichtbar zu machen. Ergänzend dazu lieferte die Mikro-Computertomografie detaillierte Aufnahmen des Inneren, ohne das Haar zu zerstören. Um herauszufinden, wie hart oder elastisch verschiedene Abschnitte tatsächlich sind, pressten die Forschenden anschließend winzige Diamantspitzen in Basis und Spitze der Haare – eine Technik namens Nanohärteprüfung. All diese Messdaten flossen schließlich in computergestützte Simulationsmodelle ein, mit denen sich nachvollziehen lässt, wie ein Elefantenhaar auf Berührung reagiert, wie es sich verbiegt, schwingt und welche Signale dabei an den Haarfollikel weitergegeben werden.

»Das Klopfen fühlte sich an verschiedenen Stellen des Stabs unterschiedlich an. Ich musste nicht hinsehen, um zu wissen, wo der Kontakt stattfand; ich konnte es einfach spüren«Katherine Kuchenbecker, Maschinenbauingenieurin

Genau diese Vielfalt der Methoden und Perspektiven habe das Projekt so besonders gemacht, sagt Schulz, der als Postdoc am MPI-IS tätig ist. »Wir haben mit Biologen und Neurowissenschaftlern zusammengearbeitet, mit Menschen aus den Materialwissenschaften, mit Robotikspezialisten, Forschenden aus dem Bereich Sensorik und haptische Intelligenz und solchen, die sich mit der Computersimulation von komplexen Systemen auskennen«, sagt er. »Als wir schließlich anfingen, unsere Ergebnisse zusammenzutragen und alles geordnet aufzuschreiben, haben wir überhaupt erst realisiert, wie komplex diese Tasthaare wirklich sind.«

Eine Experimentiermethode werde ihr besonders in Erinnerung bleiben, sagt Katherine Kuchenbecker. Mit einem 3D‑Drucker hatte das Forschungsteam ein Tasthaar-Modell angefertigt, das es ermöglichen sollte, die taktile Erfahrung eines Elefanten ansatzweise nachzuvollziehen – weich und sanft an der Spitze und hart und stark an der Basis. Nach einer Teambesprechung nahm Kuchenbecker den Prototyp mit und tippte damit im Vorbeigehen gegen Geländer und Säulen des Instituts. »Das Klopfen fühlte sich an verschiedenen Stellen des Stabs unterschiedlich an«, sagt sie. »Ich musste nicht hinsehen, um zu wissen, wo der Kontakt stattfand; ich konnte es einfach spüren.« Kuchenbecker nennt es einen echten Aha-Moment.

Auch für Andrew Schulz ist es genau dieser Verlauf von der steifen Basis zur weichen Spitze, der ihn verblüffte. In Zahlen ausgedrückt: Für die Basis berechneten die Forscher ein Elastizitätsmodul von 2,99 Gigapascal, für die Spitze kamen sie nur auf 0,07 Gigapascal. Der Wert beschreibt, wie viel mechanischen Widerstand ein Material einer externen Kraft entgegensetzt. »Man kann sich gut vorstellen, dass der funktionelle Gradient den Elefanten dabei hilft, genau zu spüren, wo entlang ihrer Rüsseltasthaare eine Berührung stattfindet«, sagt er. Daraus könne der Elefant dann schließen, wie nah oder weit ein Objekt vom Rüssel entfernt ist. Das sei vermutlich das Geheimnis hinter der Fähigkeit, einen Tortillachip mit dem Rüssel aufzunehmen, ohne ihn zu zerbrechen, oder eine winzig kleine Erdnuss zu schnappen. 

Die Simulationen im Computer bestätigten schließlich, was die Forschenden beim Experimentieren mit dem Modell bereits gespürt hatten: Der ungewöhnliche Materialaufbau der Elefantenhaare ist nicht nur ein anatomisches Kuriosum, sondern erfüllt ganz konkrete Aufgaben. Die steife Basis sorgt dafür, dass die Schwingungen zuverlässig bis zu den Nervenzellen im Haarfollikel gelangen, während die weiche Spitze die Berührung besonders gut aufnimmt und verstärkt. So entsteht ein deutliches, ortsspezifisches Signal. Zusammengenommen ergibt sich das Bild eines Systems, das nicht nur passiv Reize weitergibt: Die Materialeigenschaften filtern und verstärken Informationen, bevor sie überhaupt das Nervensystem erreichen. »Das dreijährige Forschungsprojekt hat mir die Bedeutung von Materialeigenschaften für den Tastsinn noch mal klar vor Augen geführt«, sagt Kuchenbecker. »Schon die Beschaffenheit und die Größe unserer eigenen Fingerspitzen beeinflussen, wie sich die Welt für jeden Einzelnen von uns anfühlt.«

»Für eine robuste Interpretation der Ergebnisse brauchen wir kinematische, biomechanische und verhaltensbezogene Daten von Elefanten im Zoo oder im Freiland«Robyn Grant, Biologin

Für Robyn Grant, Biologin an der Manchester Metropolitan University, die sich auf die Erforschung der Sinneswahrnehmungen von Säugetieren spezialisiert hat, ist die Arbeit der Stuttgarter »ein besonderes Beispiel dafür, wie Material und Morphologie von Tasthaaren in der Natur exakt an bestimmte Nutzungsszenarien angepasst sind«. Das Zusammenspiel von Material, Form und Mechanik der Rüsselhaare sei hochinteressant, auch wenn ähnliche Fragestellungen bereits bei anderen schnurrhaartragenden Tieren untersucht worden seien, etwa bei Nagetieren und Robben. Nun müsse man darauf aufbauend herausfinden, was dies für den tatsächlichen Gebrauch des Rüssels und die Wahrnehmung der Tiere bedeutet: »Für eine robuste Interpretation der Ergebnisse brauchen wir kinematische, biomechanische und verhaltensbezogene Daten von Elefanten im Zoo oder im Freiland.«

Katherine Kuchenbecker und Andrew Schulz sind sich sicher, dass die Forschungsergebnisse das Potenzial haben, neue intelligente Sensortechnologien zu inspirieren. Künstliche Vibrissen könnten Robotern etwa dabei helfen, Objekte sicher zu greifen, in engen Räumen zu navigieren oder selbst in völliger Dunkelheit die Orientierung nicht zu verlieren – Fähigkeiten, die die bisher gängigen optischen Sensoren nicht leisten können. Auch für Prothesen oder medizinische Geräte könnten Materialien mit vergleichbaren funktionellen Gradienten interessant sein, weil sie gezielt bestimmte Reize dämpfen oder verstärken können. Die Forschungsarbeit der Stuttgarter Gruppe zeigt somit, dass sich selbst scheinbar einfache Strukturen wie ein Rüsselhaar als hochkomplexe Sinneswerkzeuge entpuppen können, wenn man nur genau hinschaut – und dass wir vermutlich erst am Anfang stehen, die physische Intelligenz solcher Systeme wirklich zu begreifen.