Forschende an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden haben einen weichen Roboter-Greifer entwickelt, der sich ohne Batterie, Motor, elektronische Steuerung oder externe Energiequelle bewegt. Der Aktor nutzt den Stoffwechsel lebender Mikroalgen, um Licht in eine mechanische Biegung umzuwandeln, wie aus einer in Nature Communications veröffentlichten Studie hervorgeht.

Das Gerät ist ein zwei Zentimeter langer Streifen, der aus zwei miteinander verbundenen Hydrogelschichten besteht. Jede Schicht reagiert unterschiedlich auf Veränderungen des Säuregrads beziehungsweise des pH-Werts. Auf der Oberfläche einer der Schichten wachsen Mikroalgen, die einen Biofilm bilden, nachdem der Streifen sieben Tage lang in eine Kultur der Süßwasserart Chlamydomonas reinhardtii gelegt wurde.

Wenn sie rotem und blauem Licht ausgesetzt sind, betreiben die Algen Photosynthese und verbrauchen Nitrat aus der umgebenden Nährlösung. Durch diese Prozesse werden Wasserstoffionen in der Nähe des Hydrogels entfernt, wodurch der lokale pH-Wert von etwa 8 auf bis zu 11 steigt. Die Veränderung bewirkt, dass chemische Gruppen in der aktiven Schicht negativ geladen werden, Wasser aufnehmen und auf mehr als das Vierfache ihres ursprünglichen Gewichts anschwellen. Da sich die beiden Schichten unterschiedlich ausdehnen, biegt sich der Streifen.

Wenn das Licht ausgeschaltet wird, stoppt die Photosynthese. Anschließend verstoffwechseln die Algen gespeicherte Zucker und setzen Kohlendioxid frei, wodurch das Hydrogel wieder saurer wird. Die aktive Schicht zieht sich zusammen, und der Streifen biegt sich in die entgegengesetzte Richtung, während sich der pH-Wert des umgebenden Wassers nur geringfügig verändert.

Um das Konzept zu demonstrieren, fertigten die Forschenden eine künstliche Blume, einen Greifer mit vier Fingern und einen Haken an. Unter Beleuchtung schloss sich der Greifer um eine hohle Metallkugel mit einem Gewicht von 18,4 Milligramm. Der Haken hielt einen 52,5 Milligramm schweren Gummiring und gab ihn frei, nachdem das Licht ausgeschaltet worden war.

Der biologische Antrieb ist äußerst energieeffizient, aber langsam. Eine messbare Reaktion beginnt 10 bis 20 Sekunden nach einer Veränderung der Beleuchtung, doch eine vollständige Biegung um 300 Grad kann bis zu 18 Stunden dauern. Die Demonstrationsvideos der Universität werden daher mit Zeitraffergeschwindigkeiten aufgenommen, die zwischen 1.800- und 3.600-mal höher als die Echtzeitgeschwindigkeit sind.

Nach 15 Stunden Beleuchtung erreichte der Aktor eine maximale Kraft von 0,8 Millinewton, was ungefähr dem Gewicht einer Masse von 80 Milligramm entspricht. Im Experiment führte eine externe Halterung die für das Anheben der Objekte erforderliche Aufwärtsbewegung aus. Der Aktor muss außerdem in einer Flüssigkeit mit gelösten Nährstoffen verbleiben und würde an der Luft austrocknen.

Das algenbasierte System blieb mindestens 60 Tage lang funktionsfähig und damit länger als einige frühere biohybride Konstruktionen, die auf tierischen Muskelzellen oder Bakterien basierten. Die Forschenden verwendeten keine gentechnisch veränderten Organismen. Ihrer Einschätzung nach könnte die Technologie künftig für Anwendungen nützlich sein, die langsame Bewegungen und geringe Kräfte erfordern, darunter lichtgesteuerte Beschattungselemente, landwirtschaftliche Systeme und die Handhabung empfindlicher Proben unter Wasser.

Quellen: t3n.