Algenbetriebener Roboterarm greift und hebt kleine Objekte mit Licht

Greifen durch Photosynthese: Forscher haben eine weiche, mit lebenden Algen besiedelte Kunststoffstruktur entwickelt, die sich im Licht krümmt und im Dunkeln wieder zurückbiegt. Im Labor hob der kleine Greifer bereits eine Metallkugel und einen Gummiring an. Der Antrieb benötigt keine eingebauten Motoren, braucht für größere Bewegungen allerdings mehrere Stunden.

Delft (Niederlande). Roboterarme bestehen gewöhnlich aus starren Bauteilen und werden durch elektrische oder hydraulische Antriebe bewegt. Für empfindliche Gegenstände kann das zum Problem werden. Weiche Roboter aus nachgiebigen Polymeren sollen deshalb Bewegungen ermöglichen, die eher an Muskeln als an Maschinen erinnern.

Eine Möglichkeit bieten biohybride Materialien, bei denen lebende Zellen mit künstlichen Strukturen zusammenarbeiten. Doch viele bisherige Ansätze benötigen aufwendige Steuerungen oder verlieren bei wiederholter Bewegung an Leistungsfähigkeit. Könnten Mikroorganismen stattdessen selbst als Antrieb dienen?

Forscher der Delft University of Technology (TU Delft) um Prof. Marie-Eve Aubin-Tam haben nun einen solchen lichtgesteuerten Antrieb entwickelt. Sie kombinierten die Stoffwechselaktivität einer einzelligen Grünalge mit einem Kunststoff, der sich je nach Säuregrad ausdehnt oder zusammenzieht.

Algen verändern den Kunststoff

Der Versuchsstreifen ist rund zwei Zentimeter lang, fünf Millimeter breit und einen Millimeter dick. Er besteht aus zwei miteinander verbundenen Hydrogel-Schichten, also wasserreichen Kunststoffen. Während eine Schicht auf Änderungen des pH-Werts reagiert, bleibt die andere weitgehend unverändert.

Auf dem Material ließen die Wissenschaftler die Süßwasseralge Chlamydomonas reinhardtii sieben Tage lang wachsen. Dabei bildeten die lebenden Zellen einen dünnen Belag, einen sogenannten Biofilm. Dieser wirkt wie ein biologisches Steuerungssystem für das Gel.

Bei Beleuchtung betreiben die Algen Photosynthese und nehmen Nitrat als Stickstoffquelle auf. Beides lässt den pH-Wert unmittelbar an den Zellen steigen. Dadurch nimmt die empfindliche Hydrogelschicht mehr Wasser auf und dehnt sich aus, während die andere ihre Form weitgehend behält: Der gesamte Streifen krümmt sich.

Im Dunkeln setzt die Zellatmung Kohlendioxid frei, wodurch der lokale pH-Wert wieder sinkt. Die zuvor aufgequollene Schicht schrumpft und die Biegung kehrt sich um. Der pH-Wert der umgebenden Flüssigkeit schwankte dabei nur zwischen etwa 8,3 und 9,2. Im Gel selbst waren die Veränderungen deutlich größer.

Bewegung setzt nach Sekunden ein

Die Forscher beobachteten den Beginn einer Bewegung etwa 20 Sekunden nach dem Einschalten des Lichts. Beim Wechsel in die Dunkelheit reagierte der Streifen bereits nach rund zehn Sekunden. Bis zu einer starken Krümmung vergingen allerdings Stunden.

Auch die Wiederholbarkeit war bemerkenswert: In zehn aufeinanderfolgenden Hell-Dunkel-Zyklen blieb der gesamte Biegebereich mit rund 300 Grad annähernd konstant. Selbst nach 60 Tagen wiederholten Betriebs reagierte der Algenantrieb noch auf Beleuchtung. Vergleichsproben ohne lebende, stoffwechselaktive Algen zeigten dagegen keine entsprechende lichtgesteuerte Biegung.

Zusätzliche Kontrollversuche bestätigten den Mechanismus. Als das Team die Photosynthese mit einem Hemmstoff blockierte, verschwand die übliche Lichtreaktion. Auch eine Chemikalie, die Änderungen des pH-Werts abfängt, verhinderte die Bewegung. Entscheidend ist somit das Zusammenspiel von Algenstoffwechsel und quellfähigem Kunststoff.

Winzige Gegenstände greifen und loslassen

Aus dem weichen Material baute das Team einen Greifer mit vier Fingern. Bei Beleuchtung schloss er sich um eine 18,4 Milligramm schwere Metallkugel und konnte sie anheben. Nach dem Ausschalten des Lichts gab er die Kugel wieder frei. Ein hakenförmiger Greifer hob außerdem einen 52,5 Milligramm schweren Gummiring an.

Dasselbe Prinzip ließ sich auch für eine künstliche Blüte nutzen: Sie öffnete sich innerhalb von etwa fünf Stunden im Licht und schloss sich im Dunkeln binnen rund zehn Stunden. Die gemessene maximale Kraft eines einzelnen Streifens lag bei etwa 0,8 Millinewton. Damit eignen sich die Demonstratoren zunächst für sehr kleine, leichte Gegenstände.

Noch weit von einem Alltagseinsatz entfernt

Der Algenantrieb ist bislang ein Laborprototyp. Die Versuche fanden in einer eigens zusammengesetzten Nährlösung bei ungefähr 20 Grad Celsius und unter einer Pflanzenlampe mit rotem und blauem Licht statt. Ob er auch bei natürlichen Lichtwechseln und in wechselhaften Gewässern zuverlässig funktioniert, wurde noch nicht gezeigt.

Auch eine bessere Umweltbilanz gegenüber herkömmlichen Roboterantrieben ist bisher eine Hoffnung und kein gemessenes Ergebnis. Die Studie zeigt jedoch, dass lebende Algen ihre Stoffwechselenergie direkt in eine wiederholbare mechanische Bewegung übertragen können. Künftig könnten solche weichen Antriebe bei schonenden Greifvorgängen unter Wasser oder in kleinen technischen Systemen interessant werden.

Quellen:

Originalstudie im Fachmagazin Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-026-78653-z

22. Oktober 2026 - Clara Lyu

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