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Wie ein Fisch einen neuen Ansatz für die Hafttechnologie inspirierte

Dass sich ein Fisch an einem anderen Lebewesen festhalten kann, mag auf den ersten Blick nicht besonders überraschend erscheinen. Doch wenn diese Haftung unter Wasser auf einer beweglichen, weichen und sich ständig verformenden Oberfläche stattfindet, wird daraus plötzlich eine ingenieurtechnische Herausforderung. Genau das weckte das Interesse der Forscher.

Remora-Fische können sich an Haie, Wale, Schildkröten und andere Meerestiere sowie an Boote und sogar Taucher anheften. Und das unter Wasser, auf beweglichen und weichen Oberflächen. Durch die Untersuchung der Prinzipien hinter diesem natürlichen Mechanismus entwickelten die Forscher ein neues mechanisches Haftsystem.

Das als MUSAS (Mechanical Underwater Soft Adhesion System) bezeichnete System ist ein bemerkenswertes Beispiel dafür, wie von der Natur inspirierte technische Lösungen auf ganz unterschiedliche Bereiche übertragen werden können.

Wie haftet der Remora?

Der Remora besitzt an seinem Kopf eine spezielle, saugnapfartige Haftscheibe, die sich aus seiner ersten Rückenflosse entwickelt hat. Doch diese Struktur ist wesentlich komplexer als ein einfacher Saugnapf.

In der Scheibe befinden sich unabhängig voneinander arbeitende Kammern, plattenartige Strukturen, sogenannte Lamellen, sowie sehr kleine, zahnartige Strukturen, die als Spinulen bezeichnet werden. Wenn sich der Remora an einer weichen Oberfläche festsetzt, arbeiten diese Strukturen zusammen und erzeugen zahlreiche Kontaktpunkte mit der Oberfläche.

Die Studie der Forscher zeigt, dass der Haftmechanismus des Remoras nicht ausschließlich auf einem Vakuumeffekt beruht. Durch die Bewegung der Strukturen innerhalb der Scheibe wird Wasser zwischen Scheibe und Oberfläche entfernt, während Lamellen und Spinulen gleichzeitig eine mechanische Verzahnung ermöglichen.

Mit anderen Worten: Zwei unterschiedliche Mechanismen wirken zusammen: saugnapfähnliche Haftung und mechanische Verankerung.

Das ist entscheidend für das Verständnis dafür, wie Remoras an beweglichen und verformbaren Oberflächen haften können.

Anstatt die Haftscheibe des Remoras einfach zu kopieren, versuchten die Forscher, die grundlegenden Prinzipien hinter diesem Mechanismus zu identifizieren. Genau darin liegt ein wichtiges Merkmal biomimetischen Designs.

Das Ziel besteht nicht darin, eine Struktur aus der Natur exakt nachzubauen, sondern zu verstehen, wie die Natur ein bestimmtes Problem löst, und dieses Prinzip auf eine andere Technologie zu übertragen.

Auf Grundlage dieser Untersuchungen wurde MUSAS so entwickelt, dass es unter Wasser an weichen und beweglichen Oberflächen haften kann. Das System besteht aus einer weichen Elastomerstruktur, einem Edelstahl-Grundkörper und Lamellen aus einer Formgedächtnislegierung. Diese Lamellen ahmen die mechanische Verzahnungsbewegung nach, die beim Anhaften des Remoras an einer Oberfläche entsteht.

Mit anderen Worten: Die Forscher haben eine Lösung, die sich über Millionen Jahre biologischer Evolution entwickelt hat, in ein technisches System übersetzt.

Warum ist Unterwasserhaftung wichtig?

Unterwasserhaftung ist ein weitaus schwierigeres Problem, als es zunächst erscheinen mag. Viele herkömmliche Klebstoffe wurden für trockene und relativ starre Oberflächen entwickelt. Unter Wasser können sich Oberflächen jedoch ständig bewegen und verformen, während sich Wasser zwischen Oberfläche und Haftstelle befinden kann. Bei lebendem Gewebe wird die Herausforderung noch komplexer.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft von MUSAS ist die Fähigkeit, an weichen Oberflächen mit unterschiedlichen Härte- und Rauheitsgraden zu haften und seine Leistung unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Die Forscher zeigten, dass das System eine Haftkraft erzeugen kann, die ein Vielfaches seines Eigengewichts beträgt.

Interessant ist auch, dass das entwickelte System nicht ausschließlich für die Unterwasserforschung gedacht ist. Auch mögliche Anwendungen in der Medizintechnik werden untersucht.

Die Forscher testeten das System als Plattform, die im Magen-Darm-Trakt haften kann. Dadurch könnten beispielsweise Sensoren an bestimmten Stellen des Magen-Darm-Systems positioniert, gastroösophagealer Reflux überwacht und Medikamente über längere Zeiträume abgegeben werden.

Darüber hinaus wurden mögliche Anwendungen wie die Verabreichung von mRNA über den Magen-Darm-Trakt und die längerfristige Medikamentenabgabe untersucht.

Unter Wasser wurde MUSAS außerdem mit kleinen Temperatursensoren ausgestattet, um die Körpertemperatur von Fischen während ihrer Bewegung zu messen.

Dass ein einziger Haftmechanismus auf so unterschiedliche Bereiche wie Medizintechnik und Meeresforschung übertragen werden kann, gehört zu den bemerkenswertesten Aspekten dieser Studie.

Die eigentliche Innovation liegt in der Art, wie wir auf die Natur schauen

Der vielleicht inspirierendste Aspekt dieser Studie liegt noch vor der Entwicklung des eigentlichen Geräts.

Bei der Entwicklung einer neuen Hafttechnologie betrachteten die Forscher nicht nur bestehende technische Lösungen. Sie versuchten, einen Mechanismus zu verstehen, der in der Natur bereits funktioniert.

Der Remora haftet seit Millionen von Jahren unter Wasser an beweglichen Oberflächen.

Die Ingenieure stellten lediglich die Frage:

„Wie macht er das?“

Anschließend untersuchten sie die Antwort mithilfe anatomischer Untersuchungen, physikalischer Analysen, Computersimulationen und Experimenten. Das Ergebnis war keine exakte Kopie der natürlichen Struktur, sondern ein neues technisches System, das von ihr inspiriert wurde.

Darin liegt eine wichtige Lektion für Innovation.

Die Entwicklung einer neuen Technologie bedeutet nicht immer, etwas Komplexeres zu erfinden. Manchmal reicht es aus, ein Problem zu erkennen, das die Natur bereits gelöst hat, das Prinzip dahinter zu verstehen und es auf eine andere Anwendung zu übertragen.

Die Natur bleibt eine wichtige Quelle für Technologie

Das ist einer der Gründe, warum biomimetische Ansätze in unterschiedlichen Ingenieurdisziplinen weiterhin auf großes Interesse stoßen.

Die Natur muss Energie und Ressourcen effizient nutzen. Über Millionen Jahre Evolution haben die Strukturen und Verhaltensweisen von Lebewesen unzählige Lösungen für unterschiedlichste Probleme hervorgebracht.

Beim Remora stoßen wir auf eine scheinbar einfache Frage:

Wie haftet man unter Wasser an einer beweglichen, weichen Oberfläche?

Die Antwort liegt in der Anatomie eines Fisches.

Die MUSAS-Studie zeigt, dass von der Natur inspirierte Technologien nicht nur interessante Ideen sind. Mit entsprechender Forschung und technischer Entwicklung können daraus reale Anwendungen in der Medizin, der Meeresforschung und der Sensortechnik entstehen.

Vielleicht werden wir auch in Zukunft nicht nur in Laboren, sondern auch in der Natur selbst nach einigen der Hafttechnologien von morgen suchen.

Denn manchmal besteht der beste Weg zu einer neuen Lösung darin, zunächst zu betrachten, wie die Natur dasselbe Problem bereits gelöst hat.

Eine Perspektive von Bayel: Was bedeutet das für Wassersportausrüstung?

Als wir bei Bayel diese Forschung gelesen haben, dachten wir aus kommerzieller Sicht sofort an Klebstoffe, die in Wassersportausrüstung eingesetzt werden.

Surfboards, Tauchausrüstung, Schwimmausrüstung, aufblasbare SUPs und Boote, Unterwasserkameras, Sensoren, wasserdichte elektronische Geräte und textile Produkte wie Neopren ...

Bei all diesen Ausrüstungsarten müssen unterschiedliche Materialien miteinander funktionieren. Gleichzeitig sind diese Verbindungen nicht nur Wasser ausgesetzt, sondern auch anspruchsvollen Bedingungen wie Bewegung, Vibration, Druck, Temperaturveränderungen, Salzwasser sowie wiederholtem Nasswerden und Trocknen.

Damit stellt sich eine scheinbar einfache, aber tatsächlich wichtige Frage:

Kann eine Klebelösung, die unter trockenen Bedingungen gut funktioniert, unter Wasser oder in einem beweglichen System, das ständig Wasser ausgesetzt ist, die gleiche Leistung erbringen?

Tatsächlich gehört genau das zu den grundlegenden Herausforderungen für Klebstoffe in Wassersportausrüstung. Zwei Oberflächen miteinander zu verbinden, reicht allein nicht aus. Die Verbindung muss zuverlässig bleiben, wenn sich die Einsatzbedingungen des Produkts verändern.

Ob unterschiedliche Materialien bei einem Surfboard miteinander verbunden werden, die Wasserdichtigkeit einer Tauchausrüstung erhalten bleiben muss oder die Verbindungsstellen eines aufblasbaren SUPs unter Druck zuverlässig funktionieren sollen – all das zeigt, dass wir von Klebstofftechnologien mehr erwarten als lediglich eine hohe anfängliche Haftfestigkeit.

Die Verbindung muss Wasser, Bewegung und Umgebungsbedingungen standhalten.

Genau hier bietet die von der Remora inspirierten MUSAS-Forschung eine andere Perspektive.

Natürlich bedeutet dies nicht, dass MUSAS heute in Wassersportausrüstung eingesetzt werden kann. Die Forschung wirft jedoch eine interessante Frage auf:

Werden zukünftige Verbindungslösungen für Unterwasserausrüstung ausschließlich aus stärkeren Klebstoffen bestehen, oder werden neue Systeme entstehen, die unterschiedliche Prinzipien wie Kleben, mechanische Verankerung und Anpassung an die Oberfläche miteinander verbinden?

Vielleicht ist genau das die interessantere Frage.

Mit der Weiterentwicklung von Wassersportausrüstung steigen auch die Anforderungen an die Bedingungen, denen diese Produkte ausgesetzt sind. Dadurch entstehen neue Fragen und damit neue Innovationsfelder für die Klebtechnologie.

Die Geschichte des Remoras erinnert uns an etwas Wichtiges:

Um die Technologien der Zukunft zu entwickeln, müssen wir nicht nur ins Labor schauen, sondern auch in die Natur.