Dieser Roboterarm wird von Algen und Licht bewegt
Wissenschaftler:innen der niederländischen Technischen Universität Delft (TU Delft) haben einen weichen Greifarm konstruiert, der sich allein durch den Stoffwechsel lebender Mikroalgen verformt. Wie in einer im Wissenschaftsmagazin Nature Communications veröffentlichten Studie zu lesen ist, wandelt das Bauteil einfallendes Licht ohne elektronische Steuerung oder externe Energiequellen in mechanische Biegungen um.
Basis der Konstruktion ist ein zwei Zentimeter langer, fünf Millimeter breiter und ein Millimeter dicker Streifen aus einem wasserbindenden Kunststoff, einem sogenannten Hydrogel. „Unser Proof-of-Concept-Aktor ist ein grüner, weicher Streifen aus zwei unterschiedlichen Hydrogelschichten, auf dessen Oberfläche Mikroalgen wachsen“, erklärt Studienleiterin Marie-Eve Aubin-Tam in einer Mitteilung der TU Delft mit Blick auf das Antriebselement.
TU Delft koppelt Grünalge Chlamydomonas reinhardtii an zweischichtiges Hydrogel
Für die Besiedlung legten Erstautor Fan Jiang und seine Kolleg:innen den Kunststoffstreifen sieben Tage lang in eine Kultur der einzelligen Süßwasser-Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Während dieser Zeit bildeten die Mikroorganismen auf dem Material einen rund 71 Mikrometer dicken Biofilm, also eine geschlossene Zellschicht an der Oberfläche.
Der Trägerstreifen selbst besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Kunststoffschichten von jeweils einem halben Millimeter Dicke, die unterschiedlich auf den Säuregrad, den sogenannten pH-Wert, ihrer Umgebung reagieren. Während eine passive Schicht aus reinem Polyacrylamid ihr Volumen bei schwankenden Säurewerten nicht verändert, enthält die aktive Schicht zusätzlich spezielle chemische Bausteine auf Basis von Phenylboronsäure, an denen sich die Algen bevorzugt anlagern.
Photosynthese und Zellatmung steuern den pH-Wert im Soft-Robotik-Aktor
Fällt rotes und blaues Licht auf den Streifen, betreiben die Mikroalgen Photosynthese und nehmen gleichzeitig Nitrat aus der Nährlösung auf, um daraus Aminosäuren für ihre Zellen zu bilden. Beide Stoffwechselprozesse verbrauchen Wasserstoffionen direkt an der Oberfläche des Streifens, wodurch das unmittelbare Umfeld im Hydrogel alkalisch wird und der lokale pH-Wert von etwa 8 auf bis zu 11 ansteigt.
Durch diesen Anstieg laden sich die Boronsäure-Gruppen in der aktiven Kunststoffschicht elektrisch negativ auf, stoßen einander ab und lassen das Material durch Wasseraufnahme auf mehr als das Vierfache seines ursprünglichen Gewichts aufquellen. „Da die beiden Hydrogelschichten unterschiedlich auf pH-Änderungen reagieren, quellen sie unterschiedlich stark auf, was dazu führt, dass sich der Streifen biegt“, sagt Doktorand Fan Jiang.
Sobald das Licht erlischt, stellen die Algen die Photosynthese ein, bauen ihre zuvor gebildeten Zuckerreserven über die Zellatmung ab und stoßen dabei Kohlendioxid aus. Das Gas säuert das Hydrogel wieder an, sodass sich die aktive Schicht zusammenzieht und der Streifen sich in die Gegenrichtung krümmt, ohne dass sich der pH-Wert des umgebenden Wassers im Becken nennenswert verändert.
Greifarme der TU Delft bewegen Lasten im Milligrammbereich nur im Zeitraffer
Um die mechanische Funktion zu demonstrieren, fertigte die Arbeitsgruppe neben einer sich öffnenden künstlichen Blüte auch einen Greifer mit vier Fingern sowie einen einzelnen Haken an. Unter Beleuchtung schlossen sich die vier Finger um eine hohle Metallkugel mit einem Gewicht von 18,4 Milligramm, während der Haken einen 52,5 Milligramm schweren Gummiring umschloss und nach dem Abschalten der Lampe wieder freigab.
Ein Blick auf die Messdaten verdeutlicht allerdings die physikalischen Grenzen des biologischen Antriebs. Zwar setzt eine erste messbare Reaktion bereits zehn bis zwanzig Sekunden nach einem Lichtwechsel ein, für eine vollständige Krümmung um 300 Grad benötigt der Streifen jedoch bis zu 18 Stunden, weshalb die veröffentlichten Videos der Universität im 1800- bis 3600-fachen Zeitraffer ablaufen.
Biohybride Robotik ohne Gentechnik hält zwei Monate im Dauerbetrieb durch
Zudem erreicht das System nach 15 Stunden Beleuchtung lediglich eine maximale Stellkraft von 0,8 Millinewton, was etwa der Gewichtskraft einer Masse von 80 Milligramm entspricht, und das eigentliche Anheben der gegriffenen Gegenstände vom Boden erfolgte im Versuchsaufbau durch eine von außen nach oben bewegte Halterung. Außerdem sind die Bauteile dauerhaft auf eine flüssige Umgebung mit gelösten Nährsalzen angewiesen und würden an der Luft austrocknen.