In Entwicklung: Wurm-inspirierte Softroboter
Inspiriert von der Natur, eröffnet Softrobotik, etwa Vorrichtungen aus hochflexiblen Materialien wie Silizium und Fluiden anstelle von starren Metallen, eine neue Welt voller Anwendungsmöglichkeiten in vielen Bereichen von der Medizin bis zur Erforschung des Weltraums. „Eines der am besten erforschten Beispiele in der Natur dürfte der Oktopus sein, der zu unglaublichen Dingen fähig ist“, erklärt Arianna Menciassi, Koordinatorin des Projekts MAPWORMS(öffnet in neuem Fenster) von der Scuola Superiore Sant’Anna(öffnet in neuem Fenster) in Italien. „Er besitzt lange Tentakel, die zwar weich sind, aber hohe Kräfte erzeugen, sich verlängern und greifen können.“ Menciassi stellt dem den menschlichen Arm gegenüber, der mit Handgelenk, Ellenbogen und Schulter feste Beweglichkeitspunkte aufweist. Das bedeutet, dass Sie Ihren Arm nur auf bestimmte Weise anordnen können. Der Oktopus hingegen verfügt über eine nahezu unbegrenzte Manövrierfähigkeit.
Medizinische Softrobotikvorrichtungen
Dem Team des Projekts MAPWORMS, das vom Europäischen Innovationsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, diente ein anderes Lebewesen als Inspiration für sein Vorhaben: der Ringelwurm (Annelida). Dieser unsegmentierte Wasserwurm gräbt sich in Sedimente ein, verankert sich in Löchern und Spalten und erkundet seine Umgebung, indem er Körperteile ausstreckt und verlängert. Außerdem zieht er seinen Körper ein, um Prädation zu entkommen. „Dieser Wurm besitzt einen Rüssel, der um bis zu 300 % länger werden kann“, gibt Menciassi zu bedenken. „Wir dachten, dass diese Fähigkeit für eine ganze Reihe potenzieller Anwendungen, etwa bei medizinischen Geräten, sehr interessant sein könnte.“ Menciassi arbeitete zuvor an einem EU-finanzierten Projekt mit dem Titel BIOLOCH mit, in dem die Fortbewegung von Raupen erforscht wurde, um Koloskopieanwendungen zu optimieren. Es bildete die Inspiration zur Arbeit von MAPWORMS.
Mathematische Modellierung und neuartige Materialien
In diesem Sinne versammelte sich im Rahmen des Projekts ein breites Spektrum an Fachkompetenz. Zunächst sammelte ein Biologieteam Ringelwürmer, um sie in Aquarien zu untersuchen. Ein anderes Fachleuteteam konzentrierte sich auf die biologische Struktur der Würmer, um zu charakterisieren, was deren Fortbewegung antreibt. Hierbei kamen modernste Bildgebungsverfahren zum Einsatz. Daraus resultierte die Entwicklung mathematischer Modelle, um zu erklären, wie die Würmer sich ausstrecken, sich zurückziehen und kriechen. Diese Modelle waren für die Programmierung des Verhaltens des den Wurm nachahmenden Roboters unerlässlich, der von Menciassi und ihrem Team gebaut wurde. Hierfür wurden neuartige intelligente Materialien auf Hydrogelbasis, d. h. weiche, flexible Netzwerke aus hydrophilen Polymeren, die Wasser absorbieren können, entwickelt. Diese Materialien können auf Reize wie Licht, pH-Wert und spezifische Chemikalien reagieren. Endergebnis ist ein Material, das die Mechanismen biologischer Systeme nachahmt. Mit einer winzigen, im Mikrometerbereich angesiedelten Vorrichtung kann die Fähigkeit des Wurms zum Ausstrecken und Kriechen nachgebildet werden.
Erkundung möglicher medizinischer Anwendungen
Das Projektteam entwickelte mit Erfolg eine Prototypvorrichtung, die sich wie der Ringelwurm strecken und kriechen kann. Eine wichtige Weiterentwicklung bildete die Anwendung magnetischer Aktivatoren, um die Vorrichtung zu biegen, zu verdrehen und umzuformen und auf diese Weise die Bewegung des Wurms in der Natur nachzuahmen. Diese magnetischen Aktivatoren sind gleichermaßen „weich“ und bestehen aus Silizium und Eisenpartikeln. „Es gab auch aus biologischer Sicht interessante Ergebnisse zu verzeichnen“, fügt Menciassi hinzu. „Es traten neue Erkenntnisse über den Wurm selbst zutage.“ Es wurde eine Datenbank mit biologischen Informationen aufgebaut, die zu einem besseren Verständnis der Taxonomie, des Verhaltens und der Ökologie der Ringelwürmer hinführen wird. Nun werden mögliche Endanwendungen dieser Technologie erforscht. Einer der Projektpartner ist ACMIT aus Österreich, ein Forschungszentrum, das auf medizinische Anwendungen spezialisiert ist. Ein möglicher Einsatzzweck könnte darin bestehen, chirurgische Eingriffe am Gehirn zu erleichtern, indem mikroskopische Instrumente in das Gehirn eingeführt werden können. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit wären einfachere Operationen durch den Nasenkanal.
