KI sucht nach dem Super-Klebstoff

Sapporo (Japan) - Miesmuscheln, Seepocken oder Austern haften selbst im Salzwasser fest an Riffen und Felsen. Verantwortlich dafür sind natürliche Haftproteine, die die Tiere bilden können. Doch der Nachbau solcher Klebstoffe im Labor gestaltet sich sehr schwierig. Zudem zeigen mit viel Aufwand synthetisierte Substanzen längst nicht immer die gewünschten Hafteigenschaften. Einen effizienteren Weg zu unter Wasser fest klebenden Hydrogelen fanden nun japanische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Sie nutzten dazu in mehreren Schritten Methoden der künstlichen Intelligenz. Mit Erfolg. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichten sie über ein neues Rezept für ein Hydrogel, das Objekte etwa zehnmal stärker festklebte als herkömmliche nasse Klebstoffe.

Hydrogele sind weiche Materialien, die aus Wasser und einem Netzwerk aus Polymeren bestehen. So bestehen beispielsweise weiche Kontaktlinsen aus Hydrogelen. Bestehen diese Polymernetzwerke aus Haftproteinen, die nicht nur in Muscheln, sondern auch Bakterien oder Viren vorkommen, können sie sich zu einem Klebstoff wandeln. Für ihre Suche nach dem besten Rezept für ein Klebstoff-Hydrogel, griff das Team um Jian Ping Gong von der Hokkaido Universität in Sapporo auf eine Datenbank mit fast 25000, bisher in der Nature gefundenen Haftproteinen zurück. Diese Sammlung legte die Basis für die KI-unterstützten Suche der Materialforschenden.

In einem ersten Schritt wählte die Arbeitsgruppe aus der Datenbank über eine statistische Analyse 180 Haftproteine aus, die – in sechs funktionelle Klassen geordnet – eine besonders große Haftkraft erwarten ließen. Jedes Protein bestand dabei aus einer Sequenz von 300 bis 500 Aminosäuren. Aus jedem dieser Haftproteine synthetisierten die Forschenden jeweils ein Hydrogel und untersuchten die Klebeeigenschaften. Schon diese Auswahl führte zu einem Klebstoff, der auf feuchten Oberflächen eine gute Haftstärke von 147 Kilopascal zeigte.

Die Analyse der Eigenschaftlen aller 180 Klebstoff-Hydrogele ermöglichte erst den zweiten Schritt und den Einsatz des maschinellen Lernens, einer Methode der künstlichen Intelligenz. Denn nun konnten einzelne Proteinsequenzen exakt den darauf aufbauenden Hafteigenschaften zugeordnet werden. Mit diesen Daten trainierten die Forschenden einen KI-Algorithmus. Dank dieses Trainings ließen sich die Klebstoff-Hydrogele weiter optimieren. Neue Rezepte für noch stärkere Klebstoffe entstanden. Das beste Hydrogel zeigte sogar eine Haftstärke von mehr als einem Megapascal – das ist zehnmal besser als alle bisher bekannten feuchten Klebstoffe.

Diese Haftkraft genügt rein rechnerisch, um mit einer Klebefläche von der Größe einer Briefmarke einen mittelschweren Menschen von etwa 60 Kilogramm zu halten. Um die Haftkraft in feuchter Umgebung zu demonstrieren, klebten die Forschenden eine Quietscheente auf einen von Meerwasser umspülten Felsen. Mehrere Monate hielt die Ente dem Wellenschlag stand. Mit dieser Haftkraft werden zahlreiche Anwendungen für solche feuchten Klebstoffe möglich. So könnten sie blutende Wunden oder Lecks in Wasserleitungen selbst bei hohem Wasserdruck schnell und sicher verschließen. Auch für die Reparatur von Schiffsrümpfen oder der Unterwasser-Strukturen von Offshore-Windparks ließen sich diese Klebstoff-Hydrogele einsetzen.