Vorbild Spermium: Schwanzschlag treibt winzigen Schwimmroboter voran

Champaign (USA) - Ähnlich wie eine Wasserschlange oder ein Spermium gleitet ein winziger Schwimmroboter durch Flüssigkeit. Vorwärts getrieben wird er von der Bewegung eines langen, abgeflachten Schwanzes. Dabei hat das relativ simple Stück Kunststoff, das aus einem Kopfstück und einem langen Anhängsel besteht, keinen mechanischen Motor an Bord. Stattdessen wird es indirekt geschoben, durch das Pulsieren angehefteter Zellen, berichten US-Forscher. Für ihre Bio-Hybrid-Maschine siedelten sie Gruppen von Herzzellen direkt am Ansatz des langen Kunststoffschwanzes an. Dort verbiegen die Zellen den Streifen rhythmisch immer wieder. Dies setzt sich wie eine Welle nach hinten fort und sorgt im Wasser für Vortrieb, schreiben die Entwickler im Fachblatt „Nature Communications“. So handele es sich um die erste künstliche Struktur, die eigenständig durch zähe Flüssigkeiten eines biologischen Umfelds schwimmen könne. Zwar beweist der winzige Schwimmroboter vorerst nur die Machbarkeit der Idee. Doch eröffnet sein Beispiel ein ganzes Feld an Möglichkeiten, vom medizinischen Einsatz in der Blutbahn bis zu Anwendungen in Umwelttechnik oder Industrie.

„Das ist das Minimum an Konstruktion – nur ein Kopf und ein Streifen“, erklärt Taher Saif, Professor für Mechanik und Ingenieurswesen an der University of Illinois. „Dann kommen die Zellen dazu, interagieren mit der Struktur und machen sie funktionsfähig.“ Saifs Team hatte 2012 bereits einen „laufenden“ Mikroroboter entwickelt, bei dem ein Scheibchen Hydrogel von Herzzellen gebogen wurde und damit auf seinen Kanten vorwärts stakste. Nun konstruierten die Wissenschaftler einen Schwimmkörper aus dem flexiblen Kunststoff Polydimethylsiloxan (PDMS): Das Kopfteil ist nur 57 Mikrometer breit, etwa so dick wie ein menschliches Haar, halb so hoch und 454 Mikrometer lang. Es geht direkt in den Schwanzstreifen über, der nur 7 Mikrometer breit ist, aber 1500 Mikrometer lang – also anderthalb Millimeter.

Ähnlich lang und dünn sind die Geißeln oder Flagellen mancher Bakterien und Einzeller, die ihre „Kopfteile“ durch Schlagen oder schraubenförmiges Drehen durch Flüssigkeiten schieben. Um das Laborkonstrukt in Bewegung zu versetzen, beschichteten Saif und Kollegen den Kopf und Schwanzansatz mit einem Eiweiß, um dort Muskelzellen des Herzens – Kardiomyozyten – anzusiedeln. Im Herzmuskel sorgen diese Zellen für den Herzschlag, doch auch einzelne Zellhäufchen kontrahieren im regelmäßigen Rhythmus. Bei solchem synchronen Sich-Zusammenziehen verbiegen sie immer wieder den feinen Kunststoffstreifen am Ansatz, so dass er leicht ausgelenkt wird – die Biegung setzt sich wellenartig zum Schwanzende fort und sorgt im Wasser für einen winzigen Rückstoß. Weshalb sich die Zellen dabei in Schwimmrichtung ausrichten und wie sie untereinander kommunizieren, ist den Forschern noch unklar. Doch unterm Mikroskop konnten sie zeigen, dass dies geschieht und zum Vortrieb in der Laborschale führt.

„Die Kardiomyozyten kontrahieren und verformen den Streifen, um den Schwimmer mit fünf bis zehn Mikrometern pro Sekunde vorwärts zu bewegen – das entspricht den Modellrechnungen“, schreiben Saif und Kollegen. Als sie einen anderen Schwimmer mit zwei Geißeln ausstatteten, kam dieser sogar mit 81 Mikrometern pro Sekunde voran. Mit mehreren Geißeln wird auch eine gezielte Navigation denkbar – etwa bei künftigen Mikrorobotern, die mithilfe der antreibenden Zellen auf Licht oder chemische Substanzen reagieren. Auf diese Weise könnten sie eines Tages als Transporttaxis zum Einsatz kommen, etwa für Medikamente im Körper oder bestimmte Substanzen in der Umwelttechnik. Letztendlich stehe die Entwicklung noch ganz am Anfang und lege eine Basis, so das Team: „Diese kleinformatigen einfachen Biohybrid-Schwimmer können als Plattform dienen für komplexere biologische Maschinen.“