Von der Natur abgeschaut – Ingenieure eifern Krebsaugen nach

Das Schwerpunktprogramm "Aktive Mikrooptik" präsentiert sich bei DFG Science TV

Fred der Fangschreckenkrebs
Fred der Fangschreckenkrebs
© Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK / C. Duppé

Das Faszinierendste an Fred sind seine Augen: Für uns Unsichtbares kann er sehen. Denn er ist ein Fangschreckenkrebs. Das Tier registriert neben dem für das menschliche Auge sichtbaren Farbspektrum auch ultraviolettes und polarisiertes Licht. Zuhause ist der Krebs in Freiburg, wo das DFG-Schwerpunktprogramm "Aktive Mikrooptik" koordiniert wird. Die Forschenden wollen von Fred lernen, wie seine Augen funktionieren und diese Technik nachbilden. Daraus soll ein optisches Mikrosystem entstehen, das die Wellenlängen des Lichts erkennt und gleichzeitig dreidimensionales Sehen ermöglicht. Die DFG unterstützt sie und 14 andere Forschergruppen deutschlandweit mit der Förderung des Schwerpunktprogramms.

Das Superauge 

Im Laufe der Evolution haben Fangschreckenkrebse ihre Augen optimal an ihren Lebensraum, die Unterwasserwelt, angepasst. Sie kombinieren alle optischen Funktionen, die wir als Menschen in der Kameraoptik versuchen, nachzubauen: 3D Bilder, hochaufgelöste Farb- und UV-Lichterkennung und das Wahrnehmen der Polarisation von Strahlen.

Zellproben unter dem Mikroskop: So sieht der Mensch (l.), und so der Krebs
Zellproben unter dem Mikroskop: So sieht der Mensch (l.), und so der Krebs
© Miyawaki, Hirano, Riken, Wako (Japan)

In Freds Augen befinden sich zwölf verschiedene Farbrezeptoren. Acht davon nutzt er für den sichtbaren Spektralbereich, sodass er Farben in einer wesentlich höheren spektralen Auflösung registrieren kann. Uns Menschen stehen dagegen nur drei Rezeptortypen zur Verfügung und Farben sehen wir deswegen als Mischfarben. Mit den vier weiteren Farbrezeptoren sieht der Krebs elektromagnetische Strahlen außerhalb des für uns sichtbaren Spektrums, wie ultraviolettes Licht, auch als Schwarzlicht bekannt. Wir hingegen sehen Schwarzlicht nicht, sondern bekommen nur seine Wirkung in Form von Sonnenbrand, Bräunung, Zellschäden oder Fluoreszenz zu spüren.

Die zweite Funktion von Freds Augen ist die Dreidimensionalität. Der räumliche Seheindruck beim Menschen entsteht, indem das Gehirn Informationen von beiden Augen erhält und sie miteinander verrechnet. Der Krebs scannt seine Umwelt unentwegt mit komplexen Augenbewegungen ab. Seine Augen sind deswegen ständig in Bewegung. Darüber hinaus bestehen Teile seiner Augen aus Facettenstrukturen – ähnlich denen von Insekten - die viele unterschiedlichen Winkelinformationen liefern und somit ein sehr scharfes dreidimensionales Sehen ermöglichen.

Die dritte beeindruckende Eigenschaft des Tierauges ist, dass es polarisiertes Licht erkennt. Auch diese Fähigkeit trägt zum dreidimensionalen Seheindruck bei und ähnelt in der Funktionsweise 3D Brillen, die wir aus Kinofilmen kennen. Diese nutzen nämlich auch Polarisationskontraste für den räumlichen Eindruck. Polarisationskontraste sind Änderungen der Schwingungsrichtung der Lichtwellen. So nimmt der Krebs beispielsweise auch fast durchsichtige Objekte in seiner Nähe wahr.

In seiner kontrastarmen Lebenswelt verschaffen Fred diese Seheigenschaften einen entscheidenden Vorteil im Kampf ums Überleben. Und das ist wohl auch der Grund für die Entwicklung seiner Superaugen.

Eine Mikroiris aus Tinte soll ähnlich flexibel sein wie das menschliche Auge
Eine Mikroiris aus Tinte soll ähnlich flexibel sein wie das menschliche Auge
© Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK

Das Ziel der Forscher

Dass es überhaupt möglich ist, das alles in einem Sinnesorgan zu vereinen, ist für die Forscherinnen und Forscher des Schwerpunktprogramms Aktive Mikrooptik neben Faszination auch Ansporn, der Natur nachzueifern. Sie lassen sich von den Krebsaugen inspirieren und wollen so mikrooptische Modellsysteme entwickeln, die die optischen Fähigkeiten des menschlichen Auges mit denen des Krebses kombinieren. Diese optischen Systeme sollen im Aufbau einfach sein, auf unterschiedlichen Ebenen ein scharfes und hochaufgelöstes Bild liefern und die Spektren des Gesehenen bestimmen können. Sie sollen kleiner, handlicher, Ressourcen und Energie schonender und auch preiswerter als bisherige Technologien sein.

Zudem sind neue Materialien nötig, um physikalische Grenzen im Mikrobereich zu überwinden. Deswegen wollen die Forschenden weiche Materialien wie Silikone und Flüssigkeiten statt Gläser verwenden. Sie sind umweltfreundlicher, flexibler und preisgünstiger und eröffnen neue Möglichkeiten. Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am Institut für Mikrosystemtechnik in Freiburg arbeiten beispielsweise an einer „Iris“ aus Tinte. Die weichen Materialien bringen aber auch neue Herausforderungen mit sich. Denn sie können weder mechanisch, wie bei Kamerablenden, noch durch Pumpen verändert werden. Elektrische Impulse sollen stattdessen die Iris, beziehungsweise die Blende, an den Lichteinfall anpassen.

Diese Art von Systemen gehört zum Fachbereich der aktiven Mikrooptik. Sie beschreibt optische Systeme, die mikroskopisch klein sind und sich während des Betriebs dynamisch verändern können. Dies kann das Gesamtsystem ebenso wie die verwendeten Materialien und Komponenten (Linsen, Spiegel und Filter) betreffen.

Und was könnte daraus werden?

Derzeit beschäftigen sich die Forschenden mit den Grundlagen der neuen Technologien. Später sollen daraus neue Scan- und Kamerasysteme entstehen. „Wir hoffen, im Anschluss an die erste Förderung Prototypen mit der Industrie entwickeln zu können“, sagt Dr. Claudia Duppé, wissenschaftliche Koordinatorin des Schwerpunktprogramms. „Die größte Herausforderung bei der aktiven Mikrooptik ist die Größenordnung der Bauteile und deren Herstellung. Dazu kommt der Anspruch, die optische Qualität wie Transparenz und Oberflächenrauigkeit des Materials beizubehalten, wenn diese dynamisch sein sollen– also aktuiert werden.“

Mit neuen Technologien wäre es möglich, wesentlich mehr Informationen, beispielsweise in der Mikroskopie, zu erhalten. Der Bedarf an solch kleinen optischen Systemen wächst in schier unzähligen Bereichen von Industrie und Forschung. Bei Qualitätssicherung und -kontrolle profitiert die Industrie von solchen Mikrosystemen: Kleinste Veränderungen in Materialien, wie Risse, könnten detektiert, Austreten von potentiell giftigen Stoffen registriert oder Farben beim Drucken präziser gemischt werden, so dass weniger Abfallprodukte entstehen.

Der Medizin nutzen zukünftige Neuentwicklungen bei mikroinvasiven Operationen, bei der Früherkennung von Zellveränderungen, bei pharmakologischen Untersuchungen oder in der Fluoreszenzmikroskopie. Wer mehr sehen kann, der kann auch besser behandeln oder operieren. Das gilt nicht nur für Gefäß- und Neurochirurgie.

Dörthe Ernst und Erik Förster waren für DFG Science TV unterwegs
Dörthe Ernst und Erik Förster waren für DFG Science TV unterwegs
© Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK

Forschung live miterleben

Die Forscherinnen und Forscher des Schwerpunkts haben zu ihrer Arbeit Kurzfilme für DFG Science TV gedreht. Die Folgen sind ab Anfang 2013 auf dfg-science-tv.de zu sehen. Darin geht es nicht nur um Freds Augen, sondern um die insgesamt 15 Projekte von Wissenschaftlern an acht verschiedenen Standorten in Deutschland. Darunter Erik Förster von der Ernst-Abbe Fachhochschule in Jena, der anpassungsfähige Linsen entwickelt und Dörthe Ernst vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden, die sich mit der piezoelektrischen Ansteuerung solcher Linsenelemente beschäftigt. Außerdem erklären die Filme, wie man eine hohe optische Qualität von Bildern gewährleisten kann, warum neuartige Blendensysteme und Polarisationsfilter unverzichtbar sind und was Piezoaktoren machen. Der Zuschauer erfährt auch, wie mikrosystemtechnische Komponenten hergestellt werden. Schließlich widmet sich die letzte Folge der Science TV Serie den Visionen der Zukunft.


Trailer der Filmserie "Aktive Mikrooptik"

Zusatzinformationen


Eindrücke aus der Arbeit des Schwerpunktprogramms

Schmuckbild: Gruppe im Labor

Eindrücke aus der Arbeit des Schwerpunktprogramms

Schmuckbild: Gruppe im Labor
Einblick in die Forschung zur "Aktiven Mikrooptik" - DFG Science TV zeigt Filme aus dem Schwerpunktprogramm
© Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK


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Schmuckbild: Leiterplatte

© Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK


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Schmuckbild: Kamera

© Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK


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Zum Schwerpunktprogramm

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat das Schwerpunktprogramm „Aktive Mikrooptik“ 2008 initiiert. Unter seinem Dach stellen sich 15 Forschergruppen in vier Projektverbünden der Herausforderung, natürliche optische ‚Systeme’ auf mikrosystemtechnischer Ebene nachzubilden. Sie werden mit rund zehn Millionen Euro bis 2013 gefördert.

Koordinator des Programmes ist Prof. Dr. Hans Zappe,der die Gisela-und-Erwin-Sick Professur für Mikrooptik am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg inne hat. Kontakt: Dr. Claudia Duppé, Telefon: +49 (0) 761203-7570

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