Forschung

Selbstheilung in Sekunden

29.07.2020 - Bionisches, von Tintenfischen inspiriertes Material heilt kleine Schäden selbstständig.

Ein weiches Material, das sich augen­blicklich selbst heilt, ist keine Fiktion mehr, sondern Realität. Ein Team von Wissen­schaftlern am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und der Pennsylvania State University PSU verändert die Nanostruktur eines neuen dehnbaren Materials so lange, bis es seine Struktur und Eigenschaften wieder vollständig zurückerhalten kann, nachdem es zerschnitten oder durchstochen wurde. Das von Tinten­fischen inspirierte Material könnte das Forschungs­gebiet der Soft Robotik revo­lutionieren. Da es jeden Schaden rückgängig machen kann, ermöglicht es viele Anwendungen in einer Welt, in der Roboter mit dynamischen und unvor­hersehbaren Umgebungen zurecht­kommen müssen.

„Wir haben ein neues Material entwickelt, das viel schneller heilen kann, ohne seine Festigkeit zu verlieren. Wir haben es auf verschiedenste Weise beschädigt und jedes Mal hat es sich innerhalb von Sekunden repariert“, sagt Abdon Pena-Francesch. Selbst­heilende weiche Materialien stoßen bei Wissen­schaftlern auf zunehmendes Interesse, insbesondere in der Robotik. Dort könnte nämlich ein solch einzigartiges Material den Ausschlag dafür geben, ob Roboter im Alltag tatsächlich eingesetzt werden können. Denn wenn Roboter eines Tages Menschen in sehr dynamischen und unvor­hersehbaren Umgebungen unterstützen, sollten sie aus einem weichen und biegbaren Material sein. Doch je weicher, desto schneller geht das Material kaputt. Das schränkt die Lang­lebigkeit und Leistung und somit die praktische Anwendung von Robotern ein.

Sekunden­schnelle Selbstheilungs­kräfte könnten dieses Manko ausgleichen. In Zukunft könnten solche Roboter in vielen Bereichen eingesetzt werden, zum Beispiel in gefährlichen Situationen wie der Erdbeben­bergung. Oder das Material kommt bei Schutz­kleidung zum Einsatz, etwa bei Handschuhen, die sich nach einem Schnitt sofort selbst reparieren können. Pena-Francesch und seine Kollegen Huihun Jung und Melik C. Demirel von der PSU sowie Metin Sitti, Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS, ließen sich von der Natur und den zahlreichen Wundern der Erde inspirieren. Sie suchten nach einer Vorlage, wie ein solch intelli­gentes Material gebaut werden könnte.

„Unser Ziel war es, mit Hilfe der Synthetischen Biologie ein selbst­heilendes, programmier­bares Material zu kreieren, dessen physikalische Eigen­schaften wir kontrollieren können", sagt Demirel. Das Team untersuchte daraufhin die Molekülstruktur und die Aminosäure­sequenzen von Tintenfisch­proteinen. Darauf aufbauend entwickelten sie mit Hilfe des Protein-Engineering das flexible, gummiartige Material. „Wir veränderten die molekulare Struktur so, dass wir die Selbstheilungs­kräfte des Materials auf die Spitze treiben konnten“, sagt er. „Wir konnten eine 24-Stunden dauernde Heilungsphase auf eine Sekunde verkürzen. Soft-Roboter, die aus diesem Material gebaut wären, könnten sich nun sofort selbst reparieren. In der Natur dauert die Selbstheilung sehr lange. Unsere Technologie stellt damit die Natur in den Schatten.“

Ein Tintenfisch braucht länger, um zu heilen, da die Protein-Moleküle in seinen Tentakeln nur lückenhaft miteinander verwoben sind. Bei dem im Labor entwickelten Material veränderten die Wissen­schaftler die Nanostruktur der Moleküle so, dass sie alle miteinander verbunden sind. „Ein Netzwerk, in dem nur wenige Punkte miteinander verbunden sind, birgt Schwach­stellen. Wir aber haben alle Punkte miteinander vernetzt und das Material so verbessert“, erklärt Pena-Francesch. Hinzu kommt: während die Moleküle bisheriger flexibler Materialien permanente Ver­bindungen haben, die einmal getrennt nicht wieder zusammen­gefügt werden können, verhält es sich bei dem neuen Material anders. Jede physikalische Verbindung ist reversibel. Verbindungen, die an einer Stelle getrennt wurden, klicken wieder in die richtige Position zurück.

Ein supra­molekulares Netzwerk mit beispiellosen Selbstheilungs­eigenschaften eröffnet ein großes unerforschtes Gebiet möglicher Anwendungen in der Robotik. „Selbst­reparierende physikalisch intelligente weiche Materialien sind für den Bau robuster und fehler­toleranter Soft-Roboter in naher Zukunft uner­lässlich", sagt Metin Sitti. Seine Vision ist es, solch selbst­reparierende weiche Materialien einzusetzen bei der Erforschung medizinischer Soft-Roboter oder um Robotergreifarme noch besser zu machen. Tests dazu gab es bereits, zum Beispiel wurden verschiedene Objekte damit angehoben. Wenn ein Objekt dann beim Herum­tragen den Greifarm beschädigt, könnte er sich leicht selbst heilen.

MPI-IS / JOL

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