Die robotische Venusfliegenfalle

Forscher an der University of Maine haben das Prinzip einer fleischfressenden Pflanze mit Verbundmaterialien nachgebaut. Der Apparat könnte kleinen Robotern zur Energieversorgung dienen.

Die Venusfliegenfalle ist eine erstaunliche Pflanze. Die aus der Familie der Sonnentaugewächse stammende Spezies fängt Insekten wie Fliegen, Wespen, Spinnen oder Ameisen mit großen Fallen, die in maximal 100 Millisekunden zuschnappen. Anschließend wird die Beute mittels einer Verdauungsflüssigkeit, die aus Pflanzendrüsen kommt, zersetzt. Übrig bleiben Nährstoffe, die das Gewächs dann als Nahrung aufnehmen kann – und Unverdauliches wie Panzer aus Chitin. Dieses Prinzip, das der Venusfliegenfalle ein Überleben auch auf schlechten Böden sichert, ist so einfach wie genial und gilt im Pflanzenreich besonders im Hinblick auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Fallen als echte Rarität.

Beeindruckt hat dieser biologische Vorgang auch den Maschinenbauprofessor Mohsen Shahinpoo von der University of Maine. Er versucht deshalb seit mehreren Jahren, das Verfahren der Venusfliegenfalle im Labor mechanisch nachzubauen. Dabei setzen Shahinpoo und seine Forschungsgruppe auf ionische Polymer-Metall-Verbundmaterialien (Ionic polymer-metal composite, IPMC), die ein künstliches Muskelverhalten aufweisen.

Ergebnis der Arbeit von Shahinpoo und Co. ist der erste biomimetische Venusfliegenfallen-Roboter. Ähnlich wie die Pflanze, die über feine Haare auf einfliegende Insekten "aufmerksam" wird, was wiederum die Falle auslöst, verfügt der Automat über einen "fühlenden" Bereich, der zum Schließen zweier Fangblätter führt, sobald er von einem Objekt berührt wird.

Doch das Team will keine neuartige Insektenfalle schaffen. Die Idee geht deutlich weiter: Ein kleiner Roboter, der in der Natur autonom unterwegs ist, könnte mit einem solchen System Insekten anlocken und diese dann über eine chemische Verdauungseinheit in Energie umwandeln, genau wie dies das biologische Vorbild aus der Pflanzenwelt zur Nährstoffgewinnung zu tun pflegt. Automaten könnten so länger ohne menschliche Eingriffe agieren und ihren notwendigen Strom selbst erzeugen. Besonders attraktiv wäre die Technik für die neue Klasse der Mikroroboter, die mit wenig Energie auskommen – sie werden etwa bei Rettungs- oder Militäreinsätzen immer beliebter.

Das IPMC, ein bereits seit mehreren Jahren verfügbares Nanomaterial, übernimmt bei der künstlichen Venusfliegenfalle die Fangfunktion: Es ist Sensor und Aktuator in einem und lässt sich blitzschnell verbiegen. Shahinpoor, der selbst an der Entwicklung von IPMC beteiligt war, meint, das Material arbeite sogar dann, wenn es feucht ist. Sobald Strom angelegt wird, verbiegt es sich. Als Sensor dienen kleine IPMC-Streifen. Werden diese berührt, aktiviert sich ein Solid-State-Relais, das wiederum die zum Schließen der Blätter notwendige Spannung erzeugt. Zwar könne das System Insekten derzeit noch nicht in Energie umwandeln, doch das Anlocken und Fangen der Tiere sei so bereits umsetzbar, meinen die Forscher.

Das letzte Design des biomimetische Apparats ist sehr kompakt: Nur ein kleines Solid-State-Relay sowie einen dynamischen Signalgenerator braucht es neben der sonstigen Hardware samt "Falle" noch. Die künstliche Venusfliegenfalle bewährte sich bereits bei Außeneinsätzen: Die Forscher konnten nachweisen, dass die mittels IPMC implementierten Fühler aktiv Insekten fangen können. Die Schließzeit bewegte sich mit rund 0,3 Sekunden in praktikablen Bereichen.

Shahinpoor fühlte sich beim Zuklappen der Fangblätter der Venusfliegenfalle an die Eigenschaften von IPMC erinnert, wenn es sich in einem elektrischen Feld verbiegt. Auch sei die mechanisch-elektrische "Sensing"-Charakteristik des Verbundmaterials dem sehr ähnlich, was die Pflanze mit ihren Spürhaaren erledige. Der Nachbau kommt dem Original also sehr nah.

Noch ist unklar, ob und wann Shahinpoor und sein Team an die Kommerzialisierung ihrer Erfindung gehen. Zunächst muss der Aufbau noch verfeinert und weiter miniaturisiert werden. Dann könnte man in einem nächsten Schritt an den Einbau in einen bewegungsfähigen Roboter nachdenken, wozu allerdings erst der erwähnte "Verdauungstrakt" für gefangene Insekten entwickelt werden müsste. Erst dann könnte aus ihnen die für den Automaten benötigte Energie erzeugt werden. (bsc)