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Pflanzensamen sind "robotische Systeme" © APA (dpa)
Pflanzensamen sind "robotische Systeme" © APA (dpa)

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Materialforscher: "Man kann enorm viel von der Natur lernen"

02.11.2018

Bei der Materialentwicklung könne "man enorm viel von der Natur lernen". Davon zeigte sich der österreichische Physiker und Materialforscher Peter Fratzl im APA-Gespräch angesichts einer von ihm mitverfassten Ausblicksarbeit zu biologischen Verbundstoffen in einer Sonderausgabe des Fachblatts "Science" überzeugt. Einige natürliche Strukturen könne man sogar als "robotisches System" betrachten.

Die Natur habe es geschafft, eine enorme Vielfalt an Anforderungen mit sehr wenigen Grundmaterialien - verschiedenen Proteinen, Zuckerverbindungen und Mineralen - und deren geschickter Kombination zu bewältigen, so der Leiter der Abteilung "Biomaterialien" am Max Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam. In der Materialforschung sei man hingegen oft geneigt, für eine neue Anforderung etwa gleich neue Materialen zu entwickeln bzw. Verbindungen einer Vielzahl an Stoffen in ein Produkt zu packen, die sich später kaum mehr in ihre Bestandteile zerlegen lassen. Fratzl: "Am Ende ist das gefährlicher Sondermüll."

Neue Ansätze für Materialkonzeption

Der Blick auf die Natur biete einen neuen Ansatz "um in einer anderen Weise an Materialkonzeption heranzugehen", auch was Recycling und Nachhaltigkeitsüberlegungen insgesamt angeht. Im ersten Schritt sollte man sich klar werden, was natürliche Materialen leisten können, und wie ihr struktureller Aufbau damit zusammenhängt, welche Aufgaben sie erfüllen können. Sehe man sich etwa die aus Mineralen und Proteinen aufgebauten Knochen an, so ist deren Festigkeit, Elastizität oder Langlebigkeit stark von der Anordnung der Fasern abhängig.

"Wenn man nicht nur die chemische Zusammensetzung, sondern auch die Struktur in den Blick nimmt, dann verschwimmt auch die Grenze zwischen einem Material und einem Bauteil", sagte Fratzl. Durch geschickten Aufbau eines oder weniger natürlicher Materialen könne man schon dafür sorgen, dass ein Element eine bestimmte Funktion erfüllt.

Pflanzensamen wie Maschinen

So forschen Fratzl und sein Team etwa an Pflanzensamen, die rein durch den geometrischen Aufbau der Fasern - entweder Aufquellen in Feuchtigkeit oder Zusammenziehen in Trockenheit - ihre Aufgabe erfüllen: Samenkapseln bestehen großteils aus toten Materialien, einzig der Keim lebt noch in einem vegetativen Zustand. Trotzdem können sie wie Maschinen funktionieren, die sich verändern. So öffnet sich ein Tannenzapfen beispielsweise quasi von selbst und ohne zusätzliche Energiezufuhr wenn er trocken ist, damit die Samen herausfallen können. Es gebe auch Samen, die bei einem Buschfeuer einen ersten Riss bekommen, um sich dann beim ersten Regen zu öffnen und den Samen auszuwerfen.

"Das ist eigentlich ein robotisches System", so der Wissenschafter, und noch dazu eines, das keinen komplexen Rechner braucht, der sein Tun reguliert. Feuchte- oder Temperaturunterschiede sind die einzigen "Informationen", die das System braucht, und liefern auch noch die Energie. An solchen Herangehensweisen gebe es im derzeit viel diskutierten Forschungsbereich der "Soft Robotics" - der "weichen Robotik" - großes Interesse. Ein solches System könnte nämlich auch autonom und unabhängig von elektrischem Storm eine Aktion ausführen, "weil die Information in der Struktur des Materials kodiert ist". Hier brauche es jedenfalls "einen anderen Blick auf die Technologie", sagte Fratzl.

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