Bio-Gleiter mit Sensoren aus Färberflechte und Holzresten überwachen Ökosysteme

Forschende der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) des Labors für Nachhaltigkeitsrobotik haben Bio-Gleiter nach dem Vorbild der Samen der Javagurke entwickelt, die Sensoren tragen und Daten in Echtzeit über Ökosysteme sammeln können. Die Sensoren bestehen aus Färberflechte und Holzabfällen. Sie sind biologisch abbaubar. Der Gleiter stammt aus dem 3D-Drucker und besteht aus Kartoffelstärke.

Von einer Drohne abgeworfene Bio-Gleiter fallen wie Laub zum Waldboden. Dort sammeln sie dann Daten, etwa über die Bodenfeuchtigkeit und den Säuregehalt. Damit soll das biologische und chemische Gleichgewicht des Waldbodens überwacht werden, wie die Forschenden in der Studie "Transient bio-inspired gliders with embodied humidity responsive actuators for environmental sensing" beschreiben, die in Frontiers in Robotics and AI veröffentlicht ist.

Damit die Bio-Gleiter in Form von Javagurkensamen, die mehrere Dutzend Meter weit durch die Luft segeln können, nicht das Ökosystem belasten, bestehen sie aus biologisch abbaubaren Materialien. Sie verrotten und werden nach erfolgreicher Datenübermittlung mit dem Waldboden eins.

Sensoren aus Färberflechte und Holzabfällen

Der Sensor zur Messung des pH-Werts besteht aus einer Färberflechte. Sie reagiert wie beim klassischen Lackmus-Test mit einem Farbwechsel von Violett zu Rot. Der Farbwechsel wird dann von einer Drohne aus festgestellt, die über das Gebiet fliegt.

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Bis der gewünschte Einsatz erfolgt, ist der Sensor mit einer "Kontra-Kapuze" geschützt, die sich bei Regen öffnet, ansonsten den Sensor aber abdeckt. Der Schutzmechanismus ist aus nanofibrillierter Cellulose aus Holzresten zusammen mit einer Gelantine hergestellt. Die Polymerfolie reagiert auf Feuchtigkeit und entfaltet sich, sobald Regen auf sie fällt und verschließt sich 30 Minuten nach dem Regen wieder. Der Sensor kann so geschützt auf den nächsten Einsatz warten. Damit die Folie sich symmetrisch öffnet und schließt, ist sie mit einer Schellackschicht überzogen, einer natürlichen harzartigen Substanz, die von Pflanzenläusen ausgeschieden wird.

Verrottbarer Bio-Gleiter

Der Bio-Gleiter selbst besteht aus Kartoffelstärke. Er stammt aus dem 3D-Drucker, hat eine Spannweite von etwa 14 cm und wiegt inklusive Sensor rund 1,5 g. Das Design des Bio-Gleiters ist so angelegt, dass er möglichst lange fliegt, um so eine weite Verteilung der Sensoren zu gewährleisten. Ausprobiert haben die Wissenschaftler das in der Drohnenflug-Arena der Empa und am Imperial College London, sodass das Flugverhalten optimiert werden konnte. So erreicht der Bio-Gleiter eine Fallzahl von 6. Aus 10 m Höhe fliegt der Gleiter horizontal rund 60 m weit.

Der Zersetzungsprozess des Bio-Gleiters und des Sensors erfolgt rasch. Unter Laborbedingungen zerfiel der Gleiter bereits nach sieben Tagen, der Sensor nach drei Wochen.

Der Säure-Sensor ist nach Aussage der Forschenden zunächst als Proof-of-Concept angelegt. Die Wissenschaftler planen, weitere Sensoren zu entwickeln, die "den Zustand von Bäumen, Gewässern und Böden in Echtzeit ermitteln" können.

Die Forschenden wollen aber noch einen Schritt weiter gehen: Ihnen schweben Sensor-Drohnen vor, die komplett biologisch abbaubar sind. Sie sollen dann die Auswirkungen des Klimawandels auf unterschiedliche Lebensräume untersuchen und erfassen, um sich danach in ihre biologisch abbaubaren Bestandteile aufzulösen. Bereits jetzt arbeiten die Wissenschaftler an solchen Drohnen, deren Rahmen aus hochporöser Cellulose und Gelantine besteht – ähnlich wie der Bio-Gleiter.

(olb)