Biomimetisches Tarnen

Ein weicher Roboter in Seesternform kriecht, wechselt die Farbe und lässt abgeschnittene Gliedmaßen wieder anwachsen.

Die Eigentarnung ist eine der bemerkenswertesten Fähigkeiten in der Natur. MaterialwissenschaftlerInnen haben nun mit einem weichen Material die ungewöhnlichen Tarnfähigkeiten von Meeresweichtieren nachbilden können. Der Roboter in Seesternform reagiert auf Wärme und Druck mit Deformation und Farbwechsel. Abgeschnittene Arme werden nahtlos wieder angesetzt, und sein Material lässt sich vollständig recyclen, heißt es in der Studie, die in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ erschienen ist.

Kraken, Quallen, Seesterne und Tintenfische können sich tarnen, indem sie rasch ihre Form anpassen oder die Farbe des Untergrunds annehmen. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Quan Li von der Southeast University in China hat nun ein weiches Material hergestellt, das diese Fähigkeit nachahmen kann. Als Grundmaterial wählten sie ein flüssigkristallines Elastomer. Solche Materialien ändern bei verschiedenen Temperaturen ihre Phase: Beim Erwärmen verlieren die Flüssigkristallmoleküle ihre Anordnung und das Teilstück schrumpft.

Diesen Schrumpfeffekt nutzten die Forschenden, um ihren Roboter „kriechen“ zu lassen. Dafür gossen sie das polymere Material in die Form eines Seesterns und fügten in die Unterseite eines der Arme einen Infrarot-empfindlichen Farbstoff ein. Diese Stelle zog sich beim Erwärmen unter Nahinfrarot durch einen photothermischen Effekt zusammen und dehnte sich beim Abkühlen wieder aus. Da nur ein Arm diesen äußeren Reiz erhielt, schob sich der Seestern vom Fleck wie von einer Raupe geschoben.

Der Seestern-Roboter änderte auch seine Farbe: In das Polymer war ein Quervernetzer eingebaut: ein Molekül, das Polymerstränge miteinander verbindet. Das hier verwendete dynamische kovalente Quervernetzersystem besaß jedoch eine „Sollbruchstelle“. Beim Erhitzen und unter Druck trennten sich die Molekülteile, und das zuvor gelbliche Farbmolekül wurde rot. „Wie der natürliche Tarneffekt eines Seesterns,“ meinten die AutorInnen.

Schließlich bewies er auch Selbstheilungs- und sogar Recyclingqualitäten. Die Forschenden konnten einen Arm ihres Seestern-Roboters abschneiden und beim Erwärmen eine vollständige Heilung beobachten. Das gleiche geschah auch beim Zerschneiden in viele Einzelteile. Neu in Form gegossen, entstand ein neuer Seestern mit intakten Eigenschaften.

Der Schlüssel zu der mehrfachen Adaptionsfähigkeit war das Quervernetzermolekül, chemisch gesehen ein Tetraarylsuccinonitril, das mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllt, erklären die AutorInnen. Es diente gleichzeitig als Chromophor (als lichtabsorbierender Farbstoff) und Netzwerkgeber in einem dynamischen kovalenten Netzwerk. Solche integrierten Materialien mit thermo- und mechanochromen Eigenschaften (Farbänderung durch Wärme und Druck) ließen sich für biomimetische Roboter, Sensoren und künstliche Tarnung verwenden, schlagen die AutorInnen vor.

Autor/-in: Quan Li, Southeast University (China), http://www.quanlilab.com/

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Originalpublikation:

https://doi.org/10.1002/ange.202115755

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