Mikroschwimmer lernt vom Wimperntierchen

Ein aus Flüssigkristall-Elastomeren geformter Schwimmkörper wird durch eine lichtinduzierte peristaltische Bewegung angetrieben.

04.03.2016

 
Grafik: Darstellung eines raupenförmigen Mikroschwimmers

Das Material des knapp ein Millimeter langen Schwimmkörpers ist so gewählt, dass es sich im Licht ausdehnt. Daher laufen wellenförmige Auswölbungen über den Schwimmer und treiben ihn in entgegengesetzter Richtung an, wenn grüne Lichtstreifen über seine Oberfläche fahren; ©Alejandro Posada

Wimpertierchen leisten Erstaunliches: Weil die Mikroorganismen so winzig sind, erscheint ihnen das Wasser, in dem sie leben, so zäh wie Honig. Trotzdem schieben sie sich allein durch die synchronisierte Bewegung Tausender äußerst dünner Filamente an ihrer Außenhaut, den "Wimpern", durch ein Gewässer. Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart bewegen nun mit bloßem Auge kaum sichtbare Roboter auf ähnliche Weise durch Flüssigkeiten.

Ihr Mikroschwimmer benötigt für diese Leistung weder eine komplexe Maschinerie von Antriebselementen noch wird er durch von außen wirkende Kräfte, etwa Magnetfelder, angetrieben. Die Wissenschaftler um Peer Fischer bauten ihr Modell des Wimperntierchens vielmehr aus einem Material, das die Eigenschaften von Flüssigkristallen und elastischen Kunststoffen in sich vereinigt und sich durch Bestrahlung mit grünem Licht peristaltisch fortbewegt.

Ein aus der Science-Fiction bekanntes Mini-U-Boot, das durch den menschlichen Körper schwimmt, Krankheiten aufspürt und kuriert, lässt sich mit diesem Prinzip zwar nicht verwirklichen. Doch in kleinen medizinischen Helfern vor einem Endoskop könnte eine weiterentwickelte Form des neuen Stuttgarter Antriebs durchaus einmal eingesetzt werden.

Ihre Kleinheit macht schwimmenden Mikroorganismen das Leben schwer. Da ihre Bewegung kaum Wucht besitzt, bremst sie die Reibung zwischen dem Wasser und ihrer Außenhaut sehr stark ab. Sie müssen sich fühlen wie ein Schwimmer in zähem Honig. Die Zähigkeit des Mediums verhindert zudem die Bildung von Turbulenzen, die Kraft auf das Wasser übertragen und den Schwimmer somit antreiben könnten. Daher vollführen die Wimpern durch eine kollektive und abgestimmte Bewegung eine Wellenbewegung, die am Körper des Einzellers entlanglaufen, ähnlich einer Laola-Welle im Fußballstadium oder den Beinchen eines Tausendfüßlers. Diese Wellen schieben die Flüssigkeit mit sich, sodass sich das Tierchen, das mit etwa 100 Mikrometer, also einem Zehntel Millimeter etwa so groß ist wie ein menschliches Haar dick, in die entgegengesetzte Richtung bewegt.

"Unser Ziel war, diese Art der Bewegung mit einem Mikroroboter nachzuempfinden", sagt Stefano Palagi, Erstautor der Studie vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, an der außerdem Wissenschaftler der Universitäten Cambridge, Stuttgart und Florenz mitwirkten. Es sei aber fast unmöglich, die Fortbewegungsart der Wimpertierchen in Form einer winzigen Maschine nachzustellen, sagt Fischer. Denn diese müsste Hunderte einzelne Aktuatoren, sowie deren Kontrolle und Energieversorgung besitzen.

Forscher behelfen sich daher normalerweise mit Kräften, die sie von außen an einen Mikroschwimmer angelegen: etwa einem Magnetfeld, das zum Beispiel eine winzige magnetische Schraube dreht. "Doch so ergibt sich nur eine eingeschränkte Bewegungsfreiheit", sagt Fischer. Die Stuttgarter wollten aber eine Art universellen Schwimmer bauen, der sich selbständig ohne Kraftübertragung von außen und ohne vordefinierte Gangarten frei in einer Flüssigkeit bewegen kann.

Dies ist ihnen mit erstaunlich einfachen Mitteln gelungen. Als Schwimmkörper verwendeten sie so genannte Flüssigkristall-Elastomere. Diese dehnen sich aus, wenn sie Licht oder Wärme ausgesetzt werden. Sie bestehen wie ein Flüssigkristall aus stäbchenförmigen Molekülen, die zuerst parallel ausgerichtet werden wie ein Bündel Mikadostäbchen, bevor der Spieler sie wirft. Die Moleküle sind untereinander vernetzt, was dem Flüssigkristall eine gewisse Festigkeit wie einem Kunststoff gibt. Bei Erwärmung verlieren die Stäbchen ihre Ausrichtung. Dadurch dehnt sich das Material aus, ähnlich wie die Mikadostäbchen nach dem Wurf mehr Platz auf der Unterlage beanspruchen.

Die Wärme erzeugten die Stuttgarter Forscher in ihren Experimenten, indem sie grünes Licht auf das Material strahlten. Das Licht bewirkt zudem, dass sich die Form der Moleküle selbst ändert. Diese besitzen eine chemische Bindung, die wie ein Gelenk wirkt. Durch die Bestrahlung biegt sich das stäbchenförmige Molekül an dem Gelenk zu einem U. Damit steigt die molekulare Unordnung noch mehr und das Material dehnt sich weiter aus. Das Material reagiert sehr schnell auf das Ein- und auch das Ausschalten des Lichtes. So nimmt es sofort nach dem Ausschalten wieder die ursprüngliche Form an.

Die Forscher haben zwei Arten von Mikroschwimmern hergestellt, die einen als langgestreckte Zylinder, etwa einen Millimeter lang und gut zweihundert Mikrometer dick, die anderen als winzige Scheibchen von 50 Mikrometer Dicke und mit Durchmessern von zweihundert oder vierhundert Mikrometern.

COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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