Harte Nüsse knacken

Von der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Natur lernen

24. September 2019 Cluster "Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems"

Sie wollen unter anderem von den Problemlösefähigkeiten der Venusfliegenfalle lernen: Den Forschenden im 2018 neu eingerichteten Exzellenzcluster „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)“ geht es um Materialien, die sich an ihre Umgebung optimal anpassen und effektiv Energie daraus „ernten“ können. Zum Beispiel preisgünstige organische Solarzellen.

Die Venusfliegenfalle passt sich mustergültig an Herausforderungen aus der Umgebung an.

Erstaunlicherweise funktioniert das Lösen komplexer Probleme sogar ganz ohne kognitives Organ. Die Venusfliegenfalle ist da ein Paradebeispiel. Ihr Schnappmechanismus gehört zu den schnellsten Bewegungsabläufen im Pflanzenreich. Dummerweise verbraucht das blitzschnelle Schließen der Falle eine gehörige Portion Energie. Die Venusfliegenfalle kann es sich also gar nicht leisten, ohne Grund zuzuschnappen. Sie hat für den effizienten Spannungsaufbau und die bestmögliche Spannungsentladung neben einem System feinster Auslöseborsten einen mehrstufigen Mechanismus entwickelt, der innerhalb von Millisekunden entscheiden kann, ob sich eine nahrhafte Fliege zwischen ihren Fangblättern niedergelassen hat – oder eben nur ein unverdaulicher Wassertropfen.

„Die Venusfliegenfalle ist ein Musterbeispiel dafür, wie man sich auf möglichst ressourcenschonende Weise an Herausforderungen aus der Umgebung anpasst“, erläutert der Sprecher des 2018 neu eingerichteten Exzellenzclusters „Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS)“, Jürgen Rühe von der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. „Das ist eines der Modelle, die wir für die Entwicklung neuer Materialien und Materialsysteme nutzen wollen.“ Die Entwicklung reflektievon Materialien „mit quasi lebenden Eigenschaften“ verfolge einen vollkommen neuartigen Ansatz in der Materialforschung.

Bisher unbekannte Designfreiheiten in der Materialentwicklung

Tatsächlich setzt die moderne Materialforschung heutzutage noch vorwiegend darauf, mechanische, optische und thermische Eigenschaften von Materialien auszubilden, die sich bis auf unvermeidliche Alterungsprozesse nicht verändern lassen und in technischen Anwendungen zumeist auf Höchstbelastung hin ausgelegt sind. „In der Natur ist das aber ganz anders“, sagt Rühe. Ein Schlüssel zum Überleben sei hier die Fähigkeit, sich mit größtmöglicher Flexibilität an die Veränderungen in der Umwelt anzupassen und so die Herausforderungen selbst der feindlichsten Umgebung zu überwinden. „Der Cluster hat sich zum Ziel gesetzt, das Beste aus beiden Welten der Biologie und Technik zu nutzen, um adaptive, energieautonome und ebenso robuste wie langlebige Materialsysteme mit einem integrierten Zusammenspiel mehrerer Materialkomponenten zu entwickeln“, so Rühe. „Das würde uns bisher unbekannte Designfreiheiten erlauben.“ Es geht um Systeme, die die von ihnen benötigte Energie aus ihrer Umgebung ernten, wie die Pflanzen beim Sonnenlicht. Oder wie die Venusfliegenfalle beim Insektenfang. „Energy Harvesting“ ist hier das Zauberwort.

Der Cluster „livMatS“ hat sich deshalb auch die Venusfliegenfalle als methodischen Demonstrator auserkoren, um ein künstliches System zu entwickeln, das vom natürlichen anwendungstechnisch nicht mehr zu unterscheiden ist. Biologische Zellen sollen dabei jedoch keine Rolle spielen, da sie auf „lebensfreundliche“ Bedingungen angewiesen sind – insbesondere auf die Anwesenheit von Wasser oder moderate Temperaturen. „Lebend“ sind die in „livMatS“ entwickelten Systeme nur insofern, als sie energieautark, langlebig, adaptiv und selbstregulierend wie ihre vitalen Vorbilder sind. Gedacht ist beispielsweise an autonome Maschinen, die im Unterschied zu ihren schon existierenden smarten Kollegen ohne Motoren agieren können – etwa bei Verschattungen von Hausfassaden, die über  lichtempfindliche Polymere auf Sonnenbestrahlung reagieren und ihre Struktur verändern können.

Aber auch an Prothesen oder Orthesen, deren Materialmix auf die variierenden Belastungen beim Gehen, Greifen oder Beißen unterschiedlich reagiert. Oder an bioinspirierte Fahrradhelme, die sich über die Körperwärme an die Kopfform ihres Trägers anpassen können.

DFG-geförderte Projekte leisteten Vorarbeit

Seinem ganzheitlichen Ansatz entsprechend, will der Freiburger Exzellenzcluster parallel zur Entwicklung dieser Materialsysteme aber auch über deren Nachhaltigkeit reflektieren. Und er will die soziale Akzeptanz und den Rezeptionsdiskurs ebenso wie die gesellschaftlichen Auswirkungen im Blick behalten, die eine Einführung solcher autonomer adaptiver Systeme hätte. Deshalb ist neben sechs verschiedenen Fakultäten der Albert-Ludwigs-Universität und den Fraunhofer-Instituten für Solare Energiesysteme und Werkstoffmechanik auch das Institut für angewandte Ökologie (Öko-Institut) als Partner fest im Boot. Und neben den Ingenieurwissenschaften, der Chemie, der Physik und der Biologie gehören auch die Nachhaltigkeitsforschung, die Soziologie und die Philosophie zu den integrierten Disziplinen.

Wie der Berliner Exzellenzcluster „Sciene of Intelligence“, so kann auch das Freiburger „livMatS“ auf die Vorarbeit zahlreicher DFG-geförderter Projekte zurückgreifen, an denen die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits zuvor mitgewirkt haben. Bei „livMatS“ sind das  namentlich Graduiertenkollegs zu „Microenergy Harvesting“ oder „Soft Matter Science“ sowie zahlreiche Verbundprojekte wie die Sonderforschungsbereiche/Transregio „Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien in Biologie und Architektur“ oder „Planare optronische Systeme (PlanOS)“.

Im 2018 neu eingerichteten Exzellenzcluster